柴油機缸蓋冷卻系統過冷沸騰狀態下的傳熱機理研究

《柴油機缸蓋冷卻系統過冷沸騰狀態下的傳熱機理研究》是依託天津大學，由谷芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柴油機缸蓋冷卻系統過冷沸騰狀態下的傳熱機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：谷芳
• 依託單位：天津大學

項目摘要

本項目將高強化柴油機缸蓋水套的複雜結構，簡化分解成多個典型傳熱結構，研究其在高欠熱度條件下的過冷沸騰傳熱規律。搭建綜合傳熱試驗平台，採用高頻感應加熱技術、CCD高速攝像技術和LDV雷射都卜勒測速技術等，對缸蓋水套各種典型傳熱結構內的溫度分布特徵、沸騰氣泡分布特徵、尺度範圍以及氣液兩相流流場結構等，進行詳細的現象觀察和定量測量。從沸騰氣泡的尺度、分布狀況、運動形式以及氣液兩相流流場等基本規律出發，採用局部特徵參數，建立柴油機缸蓋水套在高欠熱度下的過冷沸騰傳熱機理模型，並對其進行CFD數值驗證。本項目提出的過冷沸騰傳熱機理模型，將為未來開展內燃機燃燒與冷卻系統的大規模、非線性、多場耦合計算分析奠定堅實的傳熱理論基礎，提出的化繁為簡的試驗方法，將為類似複雜傳熱單元的熱物理性能測量和理論研究提供切實可行的研究思路和技術路線。

結題摘要

本項目針對高強化柴油機缸蓋水套的高熱負荷區，簡化分解成一系列簡單便於觀測的傳熱結構，研究其在高欠熱度條件下的過冷沸騰傳熱規律。設計並搭建了一套快拆傳熱試驗平台，該實驗平台可同時進行過冷流動沸騰傳熱試驗、LDV流場試驗和CCD過冷沸騰觀測試驗。利用該綜合試驗平台，對各種傳熱結構內的溫度分布特徵、沸騰氣泡分布特徵、尺度範圍以及氣液兩相流流場結構，進行了詳細的現象觀察和定量測量。傳熱試驗結果顯示，文獻中的經典過冷沸騰傳熱模型（Chen模型和BDL模型）預測平面結構有較高精度，但對凹面結構在高欠熱度區的預測精度較差，結合LDV流場試驗和CCD觀測試驗發現，這是由於經典模型未考慮局部結構對流場的影響，低估了高欠熱度下凹面結構的對流傳熱量，進而影響到過冷流動沸騰總傳熱量的預測精度。通過對傳熱試驗數據進行因次分析，提出了考慮加熱面局部結構的對流傳熱係數Nu公式，用以修正經典模型在高欠熱度區的不足。LDV過冷沸騰流場試驗，探究了沸騰與流場之間的相互影響，發現過冷沸騰主要對流場邊界層有一定影響，對主流區基本無影響。過冷沸騰使邊界層內主流方向速度分量得到抑制，而垂直於加熱壁面的速度分量得到強化，強化程度可提高一個數量級。對於凹面加熱結構，會隨凹半徑減小，垂直於加熱面方向的速度分量強化程度減弱。這表明改變加熱面局部結構會在一定程度上抑制沸騰。通過CCD過冷沸騰觀測試驗，更加直觀地研究了各種操作條件對沸騰氣泡密度分布、尺度大小的影響，進一步驗證了在相同熱負荷條件下，凹面結構有助於降低沸騰程度。通過對CCD圖像的分析，提出了氣泡尺度與壁面溫度之間的定量關係式。基於上述三項試驗，建立了VOF氣液兩相流過冷流動沸騰傳熱CFD模型，本項目提出的過冷沸騰傳熱修正模型和氣泡尺度經驗公式被嵌入到CFD仿真系統中。對T型管、某鑄鋁缸蓋和某鑄鐵缸蓋進行CFD仿真，結果顯示，本項目提出的CFD模型，對局部高熱負荷區的預測精度可控制在5%以內，對實際缸蓋的整體熱負荷預測精度能控制在10%左右，具有較強的工程可靠性和套用價值，為實現柴油機缸蓋精確冷卻、高溫冷卻等設計理念，提供了強有力的理論保障。本項目發表和已錄用國核心心期刊論文8篇，會議論文2篇，其中被EI收錄或待收錄論文4篇，已投遞國外SCI核心期刊2篇。申請一項發明專利，授權一項實用新型專利。培養兩名博士後。