發(fā)動機冷卻水腔沸騰換熱模型研究.pdf

1、內(nèi)燃機作為最常見的一種動力機械，隨著對其動力性能要求的提高及排放法規(guī)的日趨嚴格，發(fā)動機向著高強化、高功率密度的方向發(fā)展，這必然會導(dǎo)致爆發(fā)壓力和熱負荷的提高，從而使得發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的換熱能力也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，眾所周知缸蓋水套中存在一定程度的沸騰換熱現(xiàn)象，其具有強化換熱的能力，因此如何合理利用沸騰換熱的高傳熱能力是實現(xiàn)內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)精確冷卻的關(guān)鍵，這也是未來內(nèi)燃機整個冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為了更好地利用沸騰現(xiàn)象的高換熱能力，需要對沸騰現(xiàn)象進

2、行試驗研究，結(jié)合CFD數(shù)值分析得到適用于內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的沸騰換熱模型，但內(nèi)燃機缸蓋水套結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及沸騰換熱的多變性使常規(guī)的實驗手段不能奏效，本文以等效截面通道的沸騰換熱臺架試驗為依托，研究不同因素對沸騰換熱的影響，結(jié)合單相均質(zhì)流沸騰換熱模型，進行基于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的模擬計算。本文主要從以下幾個方面對發(fā)動機冷卻水腔內(nèi)存在的沸騰換熱現(xiàn)象及單相均質(zhì)流沸騰模型的應(yīng)用進行深入的研究:
　　1)內(nèi)燃機缸蓋的冷卻水腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過簡易通道對比

3、試驗來研究沸騰換熱現(xiàn)象是目前最直接有效的方式。本文通過建立矩形截面通道、水平加熱的沸騰換熱試驗臺架研究沸騰換熱，加熱金屬采用鑄鐵材料，以電磁感應(yīng)方式進行加熱，研究工作壓力、介質(zhì)流速和主流體溫度對沸騰換熱的影響，介質(zhì)流速越高、工作壓力越低、主流體溫度越低，達到相同壁面溫度條件所需的熱流密度越大，沸騰發(fā)生所需要的熱流量越大，而冷卻介質(zhì)流速的增加、介質(zhì)主流體溫度越低和工作壓力越大，會使沸騰起始點位置越靠后。
　　2)在單相對流換熱模型基

4、礎(chǔ)上，將氣泡和液態(tài)介質(zhì)作為一種混合相，引入空泡份額概念，通過空泡份額大小反映沸騰發(fā)生的劇烈程度以及氣泡的分布情況，利用質(zhì)量守恒規(guī)律推導(dǎo)出質(zhì)量含氣率控制方程，結(jié)合單向流控制方程進行聯(lián)立求解。將專家學者廣泛應(yīng)用的經(jīng)典沸騰換熱模型如:Chen模型、Rohsenow模型和Franz漸進模型，與沸騰臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)Franz模型沸騰曲線形式與試驗數(shù)據(jù)規(guī)律類似，依據(jù)沸騰臺架試驗數(shù)據(jù)對Franz漸進模型進行修正，極大地提高了修正Franz模

5、型在以鑄鐵為缸蓋材料的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)數(shù)值計算中的適用性。
　　3)以Duets226-B型柴油機為試驗對象，將整個發(fā)動機系統(tǒng)在額定工況下運行若干個小時，待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，利用熱電偶測溫法和硬度塞測溫法測量缸蓋火力面測點溫度、距火力面7mm處缸蓋內(nèi)部測點溫度和缸蓋水套測點溫度，進而通過試驗數(shù)據(jù)來分析缸蓋溫度場分布情況，并為隨后進行的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模擬仿真提供對比依據(jù)。
　　4)為了考察沸騰現(xiàn)象對缸蓋水套內(nèi)介質(zhì)流動傳熱的影響，

6、基于流，固耦合算法對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行仿真計算。當數(shù)值仿真中不考慮沸騰換熱時，利用CFD軟件對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行純對流換熱計算;當數(shù)值仿真中考慮沸騰換熱時，利用UDS功能將單相均質(zhì)流沸騰換熱模型和修正Franz漸進模型嵌入CFD軟件中，對冷卻系統(tǒng)進行沸騰換熱計算。考慮沸騰換熱的仿真計算中利用的是基于臺架試驗數(shù)據(jù)擬合得到的修正Franz模型，通過仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，考慮沸騰換熱后，采用修正Franz模型的仿真結(jié)果更接近試驗數(shù)據(jù)，