发动机气缸不同鳍片几何结构与材料的冷却性能优化数值研究

本文通过ANSYS Workbench 2020R2对三种鳍片构型（圆形/六边形/矩形）、三种厚度（1.2/2.2/3.2 mm）及两种材料（Al 319/NASA 398合金）进行18组瞬态热分析（Transient Thermal Analysis），揭示圆形鳍片配合NASA 398合金可实现3.784×10-2 W/mm2的最高热通量，较传统铝材节省25%材料且20.2秒达稳态，为自然对流（Natural Convection）冷却系统提供优化方案。

　　

Highlight

圆形鳍片设计在NASA 398合金加持下展现出卓越性能：

• 创下3.784×10^-2 W/mm²的峰值热通量（Heat Flux）

• 仅需20.2秒完成热稳态（Steady-State）

• 比矩形设计节省25%材料，比六边形轻10%

INTRODUCTION

发动机气缸作为内燃机的"高温熔炉"，燃料燃烧能量仅30%-35%转化为有效功，余热积聚（Heat Accumulation）导致材料应力剧增。传统铸铁/铝合金面临热疲劳挑战，亟需创新散热方案。

METHODOLOGY

采用SolidWorks 2018建模与ANSYS 2020R2仿真，特别关注瞬态分析（Transient Analysis）中毕渥数（Biot Number）对对流系数的影响，通过优化时间步长避免非物理结果。

RESULTS AND DISCUSSION

温度场分布显示：

• 圆形鳍片尖端温度最低（347.94°C）

• 强制对流测试（10 m/s风速）中压力降仅961.31 Pa，气动效率最优

• 热流方向性分析证实圆形构型的热扩散均匀性

CONCLUSION

圆形鳍片+NASA 398合金组合在热管理（Thermal Management）与轻量化（Lightweight）方面具有双重优势，为风冷发动机系统树立新标杆。

（注：根据要求已去除文献标识，保留专业术语英文对照与上标格式）