内燃机气缸盖沸腾传热汽泡演化行为可视化实验研究

发布时间：2017-12-08 14:39

  本文关键词：内燃机气缸盖沸腾传热汽泡演化行为可视化实验研究

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【摘要】：本文以某高强化增压柴油机为研究对象,开展气缸盖冷却水腔内沸腾传热和可视化实验研究。完成了气缸盖冷却水腔内沸腾传热和可视化实验平台的布置和搭建,在实验过程中,拍摄了内燃机不同运行工况和流动参数下鼻梁区域内汽泡的演化行为,同时采集了内燃机基本运行参数及测点的温度等数据。通过对图像的处理,分析了不同工况和流动参数下汽泡的核化、成长、滑移和聚合等行为的现象及机理,并探讨了汽泡的演化行为对沸腾换热性能的影响规律。全文工作内容及所得的主要结论概括如下:(1)通过可视化图像发现,在标定工况下内燃机冷却水腔内热流量较大的鼻梁区域存在沸腾换热现象。对汽泡的成长可视化图像分析得,随着曲轴转角的增加,汽泡成长平均直径逐渐增加。在成长初始阶段汽泡成长速度较快,而汽泡顶部受冷凝作用后,成长变得缓慢;对滑移行为图像中,两个典型汽泡的运动特性分析得,滑移速度分别为0.0514m/s和0.0852m/s的汽泡,其处于加速滑移阶段。而滑移速度分别为0.1268m/s和0.0282m/s的汽泡,其受力状况产生了变化,受到的阻力不断增大;由汽泡聚合行为图像的研究发现,在不同的曲轴转角下,汽泡当量直径分布符合正态分布规律,且拟合曲线的确定系数均值为98.72%。随着曲轴转角的增加,拟合曲线的分散尺度参数σ逐渐增加。在σ达到最大值0.56时,汽泡的当量直径分布波动的程度最为剧烈,表明汽泡的聚合现象越多对整体汽泡行为的随机性影响越强烈。(2)对比分析低速大负荷和最大扭矩工况下沸腾汽泡的成长特性得,最大扭矩工况下汽泡成长的平均直径与低速大负荷工况的相比平均增幅达到19%。由机理分析可知,最大扭矩工况下受热面上热负荷状况更严峻,汽泡成长能够获得更多的热量和质量,从而更容易形成尺寸较大的汽泡;对两个工况下汽泡运动特性对比研究得,最大扭矩工况下汽泡平均滑移速度为0.12m/s要明显大于低速大负荷工况下的0.056m/s;研究了不同工况下汽泡当量直径的分布规律得,最大扭矩工况的汽泡平均当量直径与低速大负荷工况的相比平均增幅分别为13%和9.3%,表明最大扭矩工况下汽泡聚合行为对汽泡当量直径的分布影响程度要比低速大负荷工况更明显。(3)研究了过冷度和流量等流动参数对沸腾汽泡演化行为的影响规律。对各工况下汽泡演化行为图像分析发现,汽泡成长的平均直径、汽泡滑移的平均速度以及聚合汽泡的平均当量直径都随过冷度或流量的减小而逐渐增加,两种流动工况下汽泡成长直径的平均增幅最高值分别为0.12mm和0.77mm。在高过冷度和流量工况下,单相对流换热起着主导的作用。过冷的流体能有效增加过热流体层内激冷作用的换热量,受高速流体冲刷作用影响,汽泡数目多而尺寸小;在低过冷度和低流量工况下,汽泡受力状况稳定,产生滑移和聚合行为的可能性增加,汽泡间剧烈的扰动能有效地提升沸腾换热的性能。热流体能提供更多用于汽泡成长的能量和质量,低流量下汽泡的数目少而尺寸大。(4)最后结合气缸盖沸腾传热结果进行验证,在标定工况下,随着冷却流量降低,其它测点温度有缓慢增长的趋势,但鼻梁区域内测点的温度值有了小幅下降,表明鼻梁区域内汽泡的核化、成长、滑移和聚合等行为促进该区域汽液两相间质量和能量的传递,起到显著的强化传热作用。尽管冷却流量下降最大幅值达20%,单相对流换热的作用减弱,但对内燃机缸盖水腔冷却换热并没有形成影响,而且在高热流密度区域沸腾换热的作用进一步增强。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401

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本文编号：1266777