發(fā)動機缸蓋水腔過冷沸騰傳熱實驗與數(shù)值模型研究.pdf

1、隨著人們及社會對內(nèi)燃機動力性和排放要求不斷提高，以及渦輪增壓技術、高壓共軌技術、高精度電控技術等廣泛應用，促使現(xiàn)代發(fā)動機功率密度和爆發(fā)壓力被不斷提升，進一步導致發(fā)動機缸蓋的熱負荷水平大幅增加。近年來，合理運用高溫沸騰冷卻技術實現(xiàn)局部高效換熱、提高冷卻系統(tǒng)的整體效率和保障發(fā)動機正常運行，已成為新一代冷卻系統(tǒng)設計發(fā)展趨勢。然而，沸騰是一種極其復雜的相變傳熱現(xiàn)象，人們對發(fā)動機水腔沸騰傳熱的認識遠不如單相對流換熱。此外，過度地放縱沸騰發(fā)展可能導

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驗和數(shù)值模型研究工作，以便能夠提前對水腔沸騰狀況做出準確預測和評估。
　　以實際發(fā)動機為研究對象，對缸蓋關鍵部位進行不同冷卻條件下溫度測量以及實時運行狀態(tài)下水腔壁面?zhèn)鳠崽匦栽囼灐Ｑ芯勘砻鳎涸诘屠鋮s水溫度范圍內(nèi)，提高冷卻水溫度導致缸蓋各測點溫度呈現(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，尤其在高負荷工況表現(xiàn)得更加明顯；在大扭矩高負荷工作條件時，水腔壁面溫度與壁面換熱量的曲線已不再是線性關系，壁面換熱效率隨壁面溫度的增加而提高。系列試驗結果間接證明，在發(fā)動機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，采用高頻感應底部加熱方式，專門設計和搭建了一套用于模擬不同流動條件下的沸騰換熱實驗裝置。實驗過程對不同流速、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的測試研究，發(fā)現(xiàn)沸騰起始點位置與通道流動參數(shù)有著直接關系，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，汽泡運行形式變得更為復雜多變，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。
　　基于當前傳熱特性實驗數(shù)據(jù)，使用Chen疊加、Franz漸進和Shah分區(qū)三種現(xiàn)有經(jīng)典沸騰傳熱經(jīng)驗式計算誤差較大。為了準確地預測發(fā)動機冷卻水腔內(nèi)的換熱形式與換熱強度，基于 Franz模型提出一種新的修正漸進模型，該模型與360組實驗數(shù)據(jù)對比平均計算誤差為6.47％，與原始關聯(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)替換新改進數(shù)學模型中的對流項，建立了能夠適應于復雜幾何的單相沸騰傳熱模型，驗證計算表明新模型在廣泛的工況范圍內(nèi)能夠準確地預測沸騰傳熱量與壁面溫度的傳熱關系。最終，新模型被嵌入發(fā)動機缸蓋三維多場耦合傳熱系統(tǒng)中，并實現(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)進行關聯(lián)進而建立新的適應于復雜無規(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)壓力條件下的實驗數(shù)據(jù)，被用來驗證新模型適應性和預測能力，結果表明新兩相流模型能夠較為準確地預測規(guī)則通道內(nèi)氣相體積分布狀況。最后，數(shù)值模型被應用于實際發(fā)動機冷卻水腔中，完成沸騰兩相流仿真分析。計算結果顯示，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