納米流體強化往復運動活塞冷卻油腔傳熱的基礎研究

《納米流體強化往復運動活塞冷卻油腔傳熱的基礎研究》是依託大連理工大學,由呂繼組擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米流體強化往復運動活塞冷卻油腔傳熱的基礎研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：呂繼組

項目摘要

課題將納米潤滑油替代傳統潤滑油，套用於內燃機活塞往復振盪冷卻油腔中，以達到強化傳熱，改善活塞高溫熱負荷的目的。在實測納米流體輸運特性參數(導熱係數、比熱容、黏度)的基礎上，利用管內可視化實驗，研究流動切嚮往復振盪作用下，納米流體氣液混合兩相流的流動狀態；管內傳熱實驗，研究流動切嚮往復振盪作用下，納米流體氣液兩相混合液與壁面的換熱；以能揭示納米流體氣液兩相流及與壁面傳熱的機理，從而建立相應的數理模型。並將數理模型套用於活塞冷卻油腔納米潤滑油與活塞組耦合體之間的傳熱模擬計算中，實現冷卻油腔納米潤滑油-活塞組-潤滑油膜-氣缸套整體耦合系統的傳熱全仿真，考察納米潤滑油對整個系統傳熱性能的影響規律，最終通過納米潤滑油(成分、粒徑、百分比、充液率)控制內燃機強化傳熱，加快納米流體在內燃機中的套用進程，豐富納米流體氣液兩相流動、混合、傳熱的基礎理論，還能促進納米流體在其它振盪狀態下強化傳熱的套用。

結題摘要

課題採用納米顆粒添加劑潤滑油—納米潤滑油代替傳統潤滑油，套用於內燃機活塞往復振盪冷卻油腔中，以達到強化傳熱，改善活塞高溫熱負荷的目的。為了開展納米流體在內燃機活塞冷卻油腔內流動與換熱的實驗研究，利用兩步法製備了納米潤滑油（Cu-納米潤滑油）和水基納米流體（SiO2-水納米流體、Al2O3-水納米流體）懸浮液。實測了納米潤滑油和水基納米流體的輸運特性參數——導熱係數、比熱容、粘度。在往復運動試驗台上，開展了納米流體和基礎流體在流動垂直方向往復運動作用下，流動可視化實驗研究和傳熱實驗研究，結果表明採用納米流體作為活塞冷卻油腔工作流體，在相同轉速下，可增加換熱功率；可視化實驗顯示整個往復運動周期內，納米流體的流動混亂程度均好於基礎流體，說明採用納米流體後可以進一步強化流體的湍流流動特性。在流動可視化和傳熱實驗研究基礎上，建立了管內流體在往復運動作用下氣液兩相流數理模型，並與實驗結果進行對比，結果表明VOL+LVEL SET模型與實驗更為接近；故將此模型用於活塞冷卻油腔的換熱多維瞬態計算中，結果表明無論傳統機油還是納米機油，壁面對流換熱係數都呈現周期性變化規律，整體平均對流換熱係數都是從上止點到下止點的運動過程中較大，從下止點到上止點的運動過程中較小；在一個往復運動周期內，上半部分壁面(上壁面、內壁面和外壁面)的平均對流換熱係數大於下壁面，從而在燃燒衝程帶走更多的熱量；相對傳統機油而言，加入了納米顆粒後的對流換熱係數有大幅度提高，所有壁面均如此。課題還將活塞組（帶冷卻油腔）-潤滑油膜-氣缸套作為一個耦合體，建立了該系統的傳熱、潤滑、摩擦耦合模型，活塞冷卻油腔邊界採用冷卻油腔的多維計算結果，通過邊界耦合實現傳熱全仿真模擬，結果表明採用納米金剛石後可以顯著降低活塞冷卻油腔表面溫度，從而使活塞整體溫度降低，對活塞起到非常明顯的強化冷卻效果。最後還開展了納米潤滑油在內燃機中的套用研究，通過台架試驗，進一步證實採用納米潤滑油後，內燃機往復運動活塞熱強度可以進一步得到改善。