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摘 要：本文通过建立计算模式的方式对航空用风冷活塞式发动机热状态进行研究，这是航空飞机维护的重要内容之一，也是促进我国发动机研究及生产技术水平提升的重要动力，同时对我国航天事业的发展也具有十分重要的意义。通过模型计算以及模型分析我们可以发现，在以最大功率为前提时，当螺旋桨转速保持不变时，飞行高度越大其发动机热状态越高；在飞行高度保持不变时，螺旋桨的转动速度与发动机的热状态情况成反比；而气缸温度需要通过对螺旋桨转动速度的控制来进行调节才能使其保持在一定的区间条件下。
关键词：航空；风冷活塞式发动机；传热模型；热状态
发动机的种类有很多，风冷活塞式发动机属于发动机的具体种类，是我国发展建设过程中使用量较大的一种发动机组，其因具有性能高、成本低、使用条件丰富等优势特点而被广泛应用于一些重要的工程领域及行业当中，在我国的国家发展中起到非常重要的作用，普遍应用于我国的航海、通讯、航空等重要领域。所以，为了确保我国航空事业稳定发展，做好发动机的维护工作，确保航空技术的安全性，对风冷活塞式发动机热状态进行研究是非常必要的。
1 风冷活塞式发动机冷却系统传热模型
风冷活塞式发动机在航空领域的应用由多个机械构件组成，所有发动机组件在运行过程中会产生极大的热量，若想保证运行效率不受影响，在运行过程中需要冷却系统的辅助配合才能正常运行。在对航空用风冷活塞式发动机进行维护时，往往会面临很多种类的故障，要想尽快排出故障，就要找到故障原因。而这就需要我们掌握其基本的传热原理。
发动机气缸、螺旋桨和散热片等组件是冷却系统的重要构成部分，至其冷却的主要介质是空气，具有非常好的冷却效果。发动机的热源是由气缸内的燃烧原料在燃烧条件下所散发出来的，通常在建立计算模型时，相关工作人员会将热源所传送到气缸盖以及气缸体的热量设置为Q，而这些热端构件在经过冷却后消散的热量一般会被设置为y，而在发动机运行时需要耗费的螺旋桨带动功率设定为P。
1.1 风冷活塞式发动机缸内传热模型
燃料在气缸中燃烧产生的热量，约30%左右由工质传递给热端部件困。工质向气缸壁而的传热方式主要是对流和辐射，工程上常将两者统一在传热系数中进行考虑。借用一维准定常受迫紊流传热公式，缸内传热模型为
Q=αgAg（Tg-Tw）
式中，Q为工质向热端部件传热量，W；αg为瞬时传热系数，W/（m2·K）；Ag为热端部件与燃气接触而积，m2；Tg为燃气温度，K；Tw为与燃气接触的壁而温度，K。热端部件包括气缸盖和气缸体，气缸体传热量约占热端部件传热量的55%。
1.2 热端部件传热模型
对于风冷活塞式发动机，为了使热端部件在合适的温度范围工作，通常在其外表而设置不同尺寸的散热片以增加散热而积。散热片的总而积主要由发动机功重比决定。冷却空气通过散热片进行传热时，传热量v的计算模型为
q=CA（Tw-Tf）
式中，q为热端部件向冷却空气的传热量，J；C为总传热系数，A为垂直于热流方向的平均传热而积，m2；Tw.和Tt分别为热端部件温度和冷却空气温度，K；δi，为第i个散热片厚度，m；λi为第：个散热片的导热系数，W/（m·K）；αi为热端部件与冷却空气的传热系数，W/（m2·K）。
1.3 冷却系统传热模型
建立冷却系统传热模型，即系统的热平衡方程为
Q=cm△t+q
式中，c为热端部件比热容，J/（kg·℃）；。为热端部件质量，kg；△t为热端部件温升，℃。
2 风冷活塞式发动机传热边界条件
为更好的掌握发动机状态，及时做好维护工作，还需要掌握气缸体热状态，首先要确定燃气侧和空气侧的传热边界条件。发动机工作时，气缸体内侧温度高达2500℃，而外侧为冷却空气，冷却空气温度与航空设备飞行高度有关，通常在零下几十度到几十度范围内变化。燃气侧和冷却空气侧均以对流为主要传热方式，故采用第三类边界条件。因此，应首先确定燃气温度、燃气与缸壁的传热系数、散热片与冷却空气的传热系数和冷却空气温度等。
对气缸内燃气侧传热边界条件进行判断和计算，燃气与气缸内壁的传热系数经验公式有很多，本文选用航空活塞发动机瞬时传热系数随曲轴转角变化的经验公式：
αg=0.2133■（7.0+0.815Cm）
式中，Pg为燃气压力，MPa；Tg为燃气温度，K；Gm为活塞平均速度，m/s。
由公式可知，瞬时传热系数与燃气压力和温度密切相关。为精确计算边界条件，试验测量了燃气压力和温度随曲轴转角的变化，并由此计算燃气瞬时传热系数随曲轴转角的变化。
3 发动机热状态仿真计算与试验验证
3.1 飞行高度对发动机热状态的影响
为掌握航空设备飞行高度对发动机热状态的影响，以加强发动机维护工作。需要以气缸体为研究对象，建立几何模型并进行网格划分，采用流固藕合技术计算气缸体温度场。考虑到进排气口部分的流线形几何形状和散热片端部小圆角形状，主要采用四而体和六而体混合网格，少部分五而体网格衔接和过渡，最终生成20651个网格，30719个节点。气缸体有限元网格模型依据前文建立的传热边界条件，利用Abaqus软件对气缸体进行有限元计算和分析。
3.2 螺旋桨转速对发动机热状态的影响
通过对相关计算模型的整理和建立，我们可以发现螺旋桨的转动速度越大，航空器的飞行速度越快，而飞行速度的快慢又对冷却空气的流通速度有关键性影响，这是在维护工作中需要我们注意的一点。
3.3 气缸体热状态对螺旋桨转速的影响
在发动机运行的过程当中，气缸的温度会受到螺旋桨转动速度、飞行高度等要素的影响，飞行高度提升，气缸的温度也会随之上升，螺旋桨转速过大也会造成气缸温度上升的问题；而气缸的热状态又会反作用于螺旋桨的转速，如果气缸的温度过高，螺旋桨的转动速度也会相应降低。所以，在发动机中一定要重视其冷却系统的维护，通过冷却的方法来对整个发动机的温度进行调整和控制。只有将发动机的温度控制在适当的范围内才能保证航空器材使用的安全性，并确保其功能得到正常展现。因此，通过发动机冷却系统的应用能够使用气缸的温度得到控制，从而实现对螺旋桨转动速度进行控制和调整。
3.4 试验验证
维护技术的应用中，对发动机的传热边界条件进行计算是决定发动机仿真结果准确程度的重要因素，而发动机传热边界条件的计算结果又受到很多系數影响，这些因素都与发动机的结构相关。另外，气缸温度是影响模型计算结构精确度的需要因素之一，所以相关工作人员如果想对制定出的传热模型进行计算情况及其精确性和有效性进行验证时，需要对气缸中的各特征部位的温度进行测试和调整。此外，还要尽量确保将计算误差控制在合理范围之内，这样才能保证模型计算结果符合航空工程计算的相关标准。
4 结论
为了进一步提高发动机维护工作水平，掌握风冷活塞式发动机的热状态，本文通过建立传热模型和计算模型的方式，相关工作者可以对航空用活塞式发动机在不同飞行高度条件下的螺旋桨的转速情况及其对气缸温度所造成的影响程度进行预先测定及评估。通过评估测定和实验，相关工作人员能够尽量减少发动机的误差，提高航空设备的维护效果。
参考文献
[1]赵立峰，李云清，王海鹰，成传松，何鹏.风冷航空发动机的活塞形状恢复研究[J].航空动力学报，2009，24（10）.
[2]唐梓杰.航空风冷发动机缸体传热模拟及翅片形式研究[J].燃气涡轮试验与研究，2015（3）：43-48.
关键词：航空；风冷活塞式发动机；传热模型；热状态
发动机的种类有很多，风冷活塞式发动机属于发动机的具体种类，是我国发展建设过程中使用量较大的一种发动机组，其因具有性能高、成本低、使用条件丰富等优势特点而被广泛应用于一些重要的工程领域及行业当中，在我国的国家发展中起到非常重要的作用，普遍应用于我国的航海、通讯、航空等重要领域。所以，为了确保我国航空事业稳定发展，做好发动机的维护工作，确保航空技术的安全性，对风冷活塞式发动机热状态进行研究是非常必要的。
1 风冷活塞式发动机冷却系统传热模型
风冷活塞式发动机在航空领域的应用由多个机械构件组成，所有发动机组件在运行过程中会产生极大的热量，若想保证运行效率不受影响，在运行过程中需要冷却系统的辅助配合才能正常运行。在对航空用风冷活塞式发动机进行维护时，往往会面临很多种类的故障，要想尽快排出故障，就要找到故障原因。而这就需要我们掌握其基本的传热原理。
发动机气缸、螺旋桨和散热片等组件是冷却系统的重要构成部分，至其冷却的主要介质是空气，具有非常好的冷却效果。发动机的热源是由气缸内的燃烧原料在燃烧条件下所散发出来的，通常在建立计算模型时，相关工作人员会将热源所传送到气缸盖以及气缸体的热量设置为Q，而这些热端构件在经过冷却后消散的热量一般会被设置为y，而在发动机运行时需要耗费的螺旋桨带动功率设定为P。
1.1 风冷活塞式发动机缸内传热模型
燃料在气缸中燃烧产生的热量，约30%左右由工质传递给热端部件困。工质向气缸壁而的传热方式主要是对流和辐射，工程上常将两者统一在传热系数中进行考虑。借用一维准定常受迫紊流传热公式，缸内传热模型为
Q=αgAg（Tg-Tw）
式中，Q为工质向热端部件传热量，W；αg为瞬时传热系数，W/（m2·K）；Ag为热端部件与燃气接触而积，m2；Tg为燃气温度，K；Tw为与燃气接触的壁而温度，K。热端部件包括气缸盖和气缸体，气缸体传热量约占热端部件传热量的55%。
1.2 热端部件传热模型
对于风冷活塞式发动机，为了使热端部件在合适的温度范围工作，通常在其外表而设置不同尺寸的散热片以增加散热而积。散热片的总而积主要由发动机功重比决定。冷却空气通过散热片进行传热时，传热量v的计算模型为
q=CA（Tw-Tf）
式中，q为热端部件向冷却空气的传热量，J；C为总传热系数，A为垂直于热流方向的平均传热而积，m2；Tw.和Tt分别为热端部件温度和冷却空气温度，K；δi，为第i个散热片厚度，m；λi为第：个散热片的导热系数，W/（m·K）；αi为热端部件与冷却空气的传热系数，W/（m2·K）。
1.3 冷却系统传热模型
建立冷却系统传热模型，即系统的热平衡方程为
Q=cm△t+q
式中，c为热端部件比热容，J/（kg·℃）；。为热端部件质量，kg；△t为热端部件温升，℃。
2 风冷活塞式发动机传热边界条件
为更好的掌握发动机状态，及时做好维护工作，还需要掌握气缸体热状态，首先要确定燃气侧和空气侧的传热边界条件。发动机工作时，气缸体内侧温度高达2500℃，而外侧为冷却空气，冷却空气温度与航空设备飞行高度有关，通常在零下几十度到几十度范围内变化。燃气侧和冷却空气侧均以对流为主要传热方式，故采用第三类边界条件。因此，应首先确定燃气温度、燃气与缸壁的传热系数、散热片与冷却空气的传热系数和冷却空气温度等。
对气缸内燃气侧传热边界条件进行判断和计算，燃气与气缸内壁的传热系数经验公式有很多，本文选用航空活塞发动机瞬时传热系数随曲轴转角变化的经验公式：
αg=0.2133■（7.0+0.815Cm）
式中，Pg为燃气压力，MPa；Tg为燃气温度，K；Gm为活塞平均速度，m/s。
由公式可知，瞬时传热系数与燃气压力和温度密切相关。为精确计算边界条件，试验测量了燃气压力和温度随曲轴转角的变化，并由此计算燃气瞬时传热系数随曲轴转角的变化。
3 发动机热状态仿真计算与试验验证
3.1 飞行高度对发动机热状态的影响
为掌握航空设备飞行高度对发动机热状态的影响，以加强发动机维护工作。需要以气缸体为研究对象，建立几何模型并进行网格划分，采用流固藕合技术计算气缸体温度场。考虑到进排气口部分的流线形几何形状和散热片端部小圆角形状，主要采用四而体和六而体混合网格，少部分五而体网格衔接和过渡，最终生成20651个网格，30719个节点。气缸体有限元网格模型依据前文建立的传热边界条件，利用Abaqus软件对气缸体进行有限元计算和分析。
3.2 螺旋桨转速对发动机热状态的影响
通过对相关计算模型的整理和建立，我们可以发现螺旋桨的转动速度越大，航空器的飞行速度越快，而飞行速度的快慢又对冷却空气的流通速度有关键性影响，这是在维护工作中需要我们注意的一点。
3.3 气缸体热状态对螺旋桨转速的影响
在发动机运行的过程当中，气缸的温度会受到螺旋桨转动速度、飞行高度等要素的影响，飞行高度提升，气缸的温度也会随之上升，螺旋桨转速过大也会造成气缸温度上升的问题；而气缸的热状态又会反作用于螺旋桨的转速，如果气缸的温度过高，螺旋桨的转动速度也会相应降低。所以，在发动机中一定要重视其冷却系统的维护，通过冷却的方法来对整个发动机的温度进行调整和控制。只有将发动机的温度控制在适当的范围内才能保证航空器材使用的安全性，并确保其功能得到正常展现。因此，通过发动机冷却系统的应用能够使用气缸的温度得到控制，从而实现对螺旋桨转动速度进行控制和调整。
3.4 试验验证
维护技术的应用中，对发动机的传热边界条件进行计算是决定发动机仿真结果准确程度的重要因素，而发动机传热边界条件的计算结果又受到很多系數影响，这些因素都与发动机的结构相关。另外，气缸温度是影响模型计算结构精确度的需要因素之一，所以相关工作人员如果想对制定出的传热模型进行计算情况及其精确性和有效性进行验证时，需要对气缸中的各特征部位的温度进行测试和调整。此外，还要尽量确保将计算误差控制在合理范围之内，这样才能保证模型计算结果符合航空工程计算的相关标准。
4 结论
为了进一步提高发动机维护工作水平，掌握风冷活塞式发动机的热状态，本文通过建立传热模型和计算模型的方式，相关工作者可以对航空用活塞式发动机在不同飞行高度条件下的螺旋桨的转速情况及其对气缸温度所造成的影响程度进行预先测定及评估。通过评估测定和实验，相关工作人员能够尽量减少发动机的误差，提高航空设备的维护效果。
参考文献
[1]赵立峰，李云清，王海鹰，成传松，何鹏.风冷航空发动机的活塞形状恢复研究[J].航空动力学报，2009，24（10）.
[2]唐梓杰.航空风冷发动机缸体传热模拟及翅片形式研究[J].燃气涡轮试验与研究，2015（3）：43-48.