發(fā)動機(jī)缸蓋水腔過冷沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模型研究.pdf

1、隨著人們及社會對內(nèi)燃機(jī)動力性和排放要求不斷提高，以及渦輪增壓技術(shù)、高壓共軌技術(shù)、高精度電控技術(shù)等廣泛應(yīng)用，促使現(xiàn)代發(fā)動機(jī)功率密度和爆發(fā)壓力被不斷提升，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動機(jī)缸蓋的熱負(fù)荷水平大幅增加。近年來，合理運(yùn)用高溫沸騰冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部高效換熱、提高冷卻系統(tǒng)的整體效率和保障發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行，已成為新一代冷卻系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展趨勢。然而，沸騰是一種極其復(fù)雜的相變傳熱現(xiàn)象，人們對發(fā)動機(jī)水腔沸騰傳熱的認(rèn)識遠(yuǎn)不如單相對流換熱。此外，過度地放縱沸騰發(fā)展可能導(dǎo)

2、致沸騰形式突變或汽泡聚集甚至部件燒毀。因此，亟需對缸蓋冷卻水腔內(nèi)流動過冷沸騰展開實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型研究工作，以便能夠提前對水腔沸騰狀況做出準(zhǔn)確預(yù)測和評估。
　　以實(shí)際發(fā)動機(jī)為研究對象，對缸蓋關(guān)鍵部位進(jìn)行不同冷卻條件下溫度測量以及實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)下水腔壁面?zhèn)鳠崽匦栽囼?yàn)。研究表明：在低冷卻水溫度范圍內(nèi)，提高冷卻水溫度導(dǎo)致缸蓋各測點(diǎn)溫度呈現(xiàn)一致性增加；而在高冷卻水溫度范圍時，提高冷卻水溫度對缸蓋測點(diǎn)溫度影響較小，且高溫區(qū)變化幅度明顯小于低溫區(qū)；

3、提高冷卻系統(tǒng)壓力，缸蓋溫度呈現(xiàn)整體升高趨勢，尤其在高負(fù)荷工況表現(xiàn)得更加明顯；在大扭矩高負(fù)荷工作條件時，水腔壁面溫度與壁面換熱量的曲線已不再是線性關(guān)系，壁面換熱效率隨壁面溫度的增加而提高。系列試驗(yàn)結(jié)果間接證明，在發(fā)動機(jī)缸蓋冷卻水腔局部區(qū)域，存在著不同程度的沸騰傳熱現(xiàn)象。
　　以缸蓋鑄鐵為加熱材料，采用高頻感應(yīng)底部加熱方式，專門設(shè)計和搭建了一套用于模擬不同流動條件下的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)過程對不同流速、不同入口溫度和不同系統(tǒng)壓力狀況

4、下的沸騰傳熱特性做了詳細(xì)的測試研究，發(fā)現(xiàn)沸騰起始點(diǎn)位置與通道流動參數(shù)有著直接關(guān)系，速度越高、入口溫度越低，沸騰起始壁面過熱度越高；提高通道速度和降低冷卻水入口溫度可以強(qiáng)化壁面對流換熱，但對充分發(fā)展沸騰傳熱特性影響不大；增加系統(tǒng)壓力，影響沸騰起始壁面溫度，是抑制沸騰過度發(fā)展的重要手段。此外，對沸騰發(fā)展過程進(jìn)行可視化觀測研究，發(fā)現(xiàn)單個汽泡正常生長曲線包含不同的階段，且在相同流動條件和加熱功率下不同汽化核心位置所產(chǎn)生的汽泡生長曲線差異明顯；隨

5、著加熱功率逐步增加，汽泡運(yùn)行形式變得更為復(fù)雜多變，夾雜著汽泡合并和分裂等汽泡行為；汽泡尺寸的概率分布曲線增長趨于平緩，汽泡尺寸分布范圍更加寬廣。
　　基于當(dāng)前傳熱特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Chen疊加、Franz漸進(jìn)和Shah分區(qū)三種現(xiàn)有經(jīng)典沸騰傳熱經(jīng)驗(yàn)式計算誤差較大。為了準(zhǔn)確地預(yù)測發(fā)動機(jī)冷卻水腔內(nèi)的換熱形式與換熱強(qiáng)度，基于 Franz模型提出一種新的修正漸進(jìn)模型，該模型與360組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比平均計算誤差為6.47％，與原始關(guān)聯(lián)式相比其計

6、算精度有大幅提高。采用壁面函數(shù)法換熱系數(shù)替換新改進(jìn)數(shù)學(xué)模型中的對流項，建立了能夠適應(yīng)于復(fù)雜幾何的單相沸騰傳熱模型，驗(yàn)證計算表明新模型在廣泛的工況范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測沸騰傳熱量與壁面溫度的傳熱關(guān)系。最終，新模型被嵌入發(fā)動機(jī)缸蓋三維多場耦合傳熱系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)不同冷卻條件下缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱狀況的有效預(yù)測。
　　以歐拉雙流體兩相流模型為計算框架，通過用戶自定義功能，修正低壓環(huán)境下的汽泡脫離直徑、汽泡尺寸大小以及相間動量交換系數(shù)等，將

7、其與局部流動參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)進(jìn)而建立新的適應(yīng)于復(fù)雜無規(guī)則通道內(nèi)、低壓系統(tǒng)下的沸騰兩相流數(shù)值模型。兩組不同通道截面、不同流動方向、不同熱流密度、不同流動速度和不同系統(tǒng)壓力條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，被用來驗(yàn)證新模型適應(yīng)性和預(yù)測能力，結(jié)果表明新兩相流模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測規(guī)則通道內(nèi)氣相體積分布狀況。最后，數(shù)值模型被應(yīng)用于實(shí)際發(fā)動機(jī)冷卻水腔中，完成沸騰兩相流仿真分析。計算結(jié)果顯示，在靠近火力面和排氣道側(cè)的水腔內(nèi)存在蒸汽泡聚集現(xiàn)象，特別是在排氣道上層水腔位置