基于气泡行为的缸盖沸腾冷却应用研究

发布时间：2017-10-27 15:04

  本文关键词：基于气泡行为的缸盖沸腾冷却应用研究

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【摘要】：沸腾冷却具有传热效率高、冷却系统体积小等优势，将其应用于缸盖冷却水腔可以有效解决缸盖热负荷高的难题，满足现代高强化发动机的设计要求。针对缸盖沸腾冷却应用存在的诸多问题，本文从气泡行为角度出发，利用实验研究、理论分析、数值模拟等手段对缸盖沸腾冷却机理与应用进行了深入研究，主要研究内容如下： 针对缸盖沸腾传热特点，搭建了用于观测气泡行为的沸腾传热实验平台。通过实验研究，建立了气泡等待周期与脱离频率及表面热流间的实验关联式、验证了气泡脱离直径预测模型的预测精度。通过气泡行为的可视化观察以及热流等参数的测量研究，从气泡行为角度阐述了沸腾传热的机理、解释了沸腾传热规律变化的内在原因：沸腾各个阶段传热状态是沸腾气泡脱离行为诱发的“表面淬火”效应及气泡附着生长行为诱发的“热流阻隔”效应综合作用的结果。 对气泡消失、气泡聚合、鼻梁区冷却设计要求进行了深入研究，并据此提出了缸盖沸腾应用可行域及控制策略。基于实验观测到的沸腾气泡表面变形规律，建立了更为精确的气泡消失数学模型；考虑鼻梁区特殊受热状态及结构特点，从沸腾换热效率及气泡能在缸盖内快速消失的角度，研究确定了沸腾控制上限为气泡排除控制线：StControl=89×Pe-0.74，进而明确了有效利用沸腾冷却的可行域，即沸腾起始线与沸腾控制上限之间的区域，并据此建立了缸盖鼻梁区沸腾冷却参数强化设计流程。 对缸盖沸腾压力波动监测信号进行了实验研究，比较了部分发展沸腾状态、充分发展沸腾状态、危险沸腾状态下的压力波动信号差异，得到危险沸腾状态下的压力信号呈脉动大且信号极不规则的特征；分析了沸腾压力波动信号与气泡行为之间的关系，得到压力频谱信号中最大功率谱密度对应频率与气泡簇行为频率一致，均低于300Hz；据此从两传感器平均互相关系数及频域信号角度提出了两种危险沸腾状态的压力信号甄别方法：1）20-500Hz频段内两传感器的平均互相关系数小于0.82；2）400-500Hz频段内的最大功率谱密度值大于2×10-3(kPa)2/Hz。 由于气泡脱离直径、沸腾相变条件会随着沸腾状态的改变而发生变化，而利用欧拉多相流计算模型计算沸腾状态需要气泡平均直径和沸腾相变判定条件；本文在气泡脱离直径、沸腾相变条件与沸腾状态关系以及气泡平均直径与气泡脱离直径关系研究的基础上，建立了考虑气泡影响的多相流数值模拟迭代计算方法。并利用实验数据对多相流数值模拟迭代计算方法的计算精度进行了校核。 结合前面研究成果，建立了缸盖沸腾换热设计流程，并以1015为原型机，完成了针对沸腾冷却应用的冷却参数重新设计：基于缸盖反向冷却方式，冷却入口温度确定为91℃，入口流速确定为2m/s。与原型机相比，重新设计的缸盖温度场分布更加均匀，，最高温度降低了7K，最低温度升高了4.5K，而流量降低了约40%。
【关键词】：高强化柴油机 缸盖 沸腾冷却 气泡行为 压力波动
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 变量表13-16
• 图目录16-19
• 表目录19-20
• 第1章 绪论20-42
• 1.1 选题的背景、目的和意义20-21
• 1.2 沸腾传热研究进展21-31
• 1.2.1 沸腾传热介绍21-23
• 1.2.2 沸腾传热理论模型研究进展23-26
• 1.2.3 沸腾特征点预测研究进展26-28
• 1.2.4 沸腾传热数值模拟研究进展28-31
• 1.3 缸盖沸腾应用研究31-37
• 1.3.1 缸盖沸腾冷却应用研究进展31-33
• 1.3.2 缸盖沸腾应用主要问题研究33-35
• 1.3.3 缸盖沸腾冷却应用前景35-37
• 1.4 气泡行为研究概述37-39
• 1.5 本文的主要研究内容39-42
• 第2章 缸盖沸腾气泡行为研究42-62
• 2.1 沸腾换热实验平台42-45
• 2.1.1 沸腾气泡行为观测实验件44
• 2.1.2 沸腾测试系统44-45
• 2.2 气泡生长阶段行为45-48
• 2.2.1 沸腾气泡核化条件45
• 2.2.2 气泡等待周期45-47
• 2.2.3 气泡生长模型47-48
• 2.3 气泡脱离阶段行为48-52
• 2.3.1 气泡脱离直径预测模型48-50
• 2.3.2 气泡脱离直径影响因素分析50-51
• 2.3.3 气泡脱离直径预测模型实验对比分析51-52
• 2.4 气泡行为与沸腾传热机理研究52-60
• 2.4.1 基于气泡行为的沸腾曲线解释52-53
• 2.4.2 气泡行为观测实验研究53-55
• 2.4.3 气泡滑移现象浅析55-56
• 2.4.4 基于气泡行为的沸腾传热机理阐释56-58
• 2.4.5 流动参数对沸腾传热的影响58-60
• 2.5 本章小结60-62
• 第3章 缸盖沸腾应用可行域研究62-80
• 3.1 柴油机沸腾整体控制要求62
• 3.2 气泡消失控制要求62-70
• 3.2.1 气泡消失研究概述63
• 3.2.2 气泡消失可视化试验研究63-66
• 3.2.3 沸腾气泡消失数学模型66-69
• 3.2.4 缸盖沸腾气泡消失控制69-70
• 3.3 气泡聚合抑制要求70-72
• 3.4 缸盖沸腾冷却应用参数设计72-78
• 3.4.1 缸盖沸腾冷却参数设计实验研究73-75
• 3.4.2 缸盖鼻梁区沸腾冷却参数设计要求75
• 3.4.3 缸盖鼻梁区沸腾冷却可行域75-76
• 3.4.4 缸盖鼻梁区沸腾冷却可行域分析76-77
• 3.4.5 缸盖鼻梁区沸腾可行域适用性分析77-78
• 3.4.6 缸盖鼻梁区沸腾参数强化设计流程78
• 3.5 本章小结78-80
• 第4章 缸盖沸腾冷却监测方法80-102
• 4.1 缸盖沸腾应用监测方法简述80-81
• 4.1.1 温度监控80-81
• 4.1.2 压力监控81
• 4.2 实验装置介绍81-84
• 4.2.1 试验传感器介绍81-82
• 4.2.2 其他数据采集系统82
• 4.2.3 压力数据分析方法82
• 4.2.4 沸腾压力信号监测频段确定82-84
• 4.3 沸腾监测方法试验研究84-96
• 4.3.1 气泡行为引起的压力波动分析84-85
• 4.3.2 沸腾压力波动信号分析85-90
• 4.3.3 沸腾压力波动信号与气泡行为的关系90-93
• 4.3.4 沸腾压力波动信号影响因素分析93-95
• 4.3.5 传感器安装位置对监测信号的影响95-96
• 4.4 沸腾监测点的确定96-100
• 4.5 本章小结100-102
• 第5章 缸盖沸腾多相流数值模拟102-122
• 5.1 欧拉多相流数值计算模型介绍102-103
• 5.2 欧拉多相流数值计算模型框架103-107
• 5.2.1 两相动力学模型103
• 5.2.2 相间动量传递模型103-104
• 5.2.3 相间质量传递模型104-105
• 5.2.4 热流传递模型105-107
• 5.3 欧拉多相流数值计算模型修正107-110
• 5.3.1 沸腾相变判定条件107
• 5.3.2 沸腾气泡平均直径107-108
• 5.3.3 欧拉多相流数值模拟流程108-110
• 5.4 欧拉多相流数值模拟的实验验证110-111
• 5.5 缸盖温度场数值计算分析111-120
• 5.5.1 缸盖温度场计算模型参数111-115
• 5.5.2 缸盖沸腾温度场计算结果分析115-116
• 5.5.3 欧拉多相流计算模型优势分析116-117
• 5.5.4 欧拉多相流数值模拟方法优势分析117-119
• 5.5.5 缸盖沸腾传热影响因素分析119-120
• 5.6 本章小结120-122
• 第6章 新型缸盖沸腾冷却应用设计122-128
• 6.1 缸盖沸腾换热设计要求122
• 6.2 缸盖沸腾换热设计流程122-126
• 6.2.1 缸盖沸腾冷却总体参数的设计122-123
• 6.2.2 缸盖沸腾冷却水流方案的设计123-125
• 6.2.3 缸盖沸腾冷却参数的设计125-126
• 6.3 缸盖沸腾冷却设计结果校核126-127
• 6.4 本章小结127-128
• 结论与展望128-133
• 主要结论128-131
• 本文的创新之处131
• 对今后工作的展望131-133
• 参考文献133-143
• 在读博士期间发表论文与研究成果143-144
• 致谢144-145
• 作者简介145

【参考文献】

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本文编号：1103980