发动机冷却水腔沸腾换热模型研究
发布时间：2020-04-27 08:01
【摘要】：内燃机作为最常见的一种动力机械,随着对其动力性能要求的提高及排放法规的日趋严格,发动机向着高强化、高功率密度的方向发展,这必然会导致爆发压力和热负荷的提高,从而使得发动机冷却系统的换热能力也面临着巨大的挑战,众所周知缸盖水套中存在一定程度的沸腾换热现象,其具有强化换热的能力,因此如何合理利用沸腾换热的高传热能力是实现内燃机冷却系统精确冷却的关键,这也是未来内燃机整个冷却系统的发展趋势。为了更好地利用沸腾现象的高换热能力,需要对沸腾现象进行试验研究,结合CFD数值分析得到适用于内燃机冷却系统的沸腾换热模型,但内燃机缸盖水套结构的复杂性及沸腾换热的多变性使常规的实验手段不能奏效,本文以等效截面通道的沸腾换热台架试验为依托,研究不同因素对沸腾换热的影响,结合单相均质流沸腾换热模型,进行基于发动机冷却系统的模拟计算。本文主要从以下几个方面对发动机冷却水腔内存在的沸腾换热现象及单相均质流沸腾模型的应用进行深入的研究:1)内燃机缸盖的冷却水腔结构复杂,通过简易通道对比试验来研究沸腾换热现象是目前最直接有效的方式。本文通过建立矩形截面通道、水平加热的沸腾换热试验台架研究沸腾换热,加热金属采用铸铁材料,以电磁感应方式进行加热,研究工作压力、介质流速和主流体温度对沸腾换热的影响,介质流速越高、工作压力越低、主流体温度越低,达到相同壁面温度条件所需的热流密度越大,沸腾发生所需要的热流量越大,而冷却介质流速的增加、介质主流体温度越低和工作压力越大,会使沸腾起始点位置越靠后。2)在单相对流换热模型基础上,将气泡和液态介质作为一种混合相,引入空泡份额概念,通过空泡份额大小反映沸腾发生的剧烈程度以及气泡的分布情况,利用质量守恒规律推导出质量含气率控制方程,结合单向流控制方程进行联立求解。将专家学者广泛应用的经典沸腾换热模型如:Chen模型、Rohsenow模型和Franz渐进模型,与沸腾台架试验数据进行对比,发现Franz模型沸腾曲线形式与试验数据规律类似,依据沸腾台架试验数据对Franz渐进模型进行修正,极大地提高了修正Franz模型在以铸铁为缸盖材料的发动机冷却系统数值计算中的适用性。3)以Duets226-B型柴油机为试验对象,将整个发动机系统在额定工况下运行若干个小时,待发动机运行稳定后,利用热电偶测温法和硬度塞测温法测量缸盖火力面测点温度、距火力面7mm处缸盖内部测点温度和缸盖水套测点温度,进而通过试验数据来分析缸盖温度场分布情况,并为随后进行的发动机冷却系统模拟仿真提供对比依据。4)为了考察沸腾现象对缸盖水套内介质流动传热的影响,基于流-固耦合算法对发动机冷却系统进行仿真计算。当数值仿真中不考虑沸腾换热时,利用CFD软件对发动机冷却系统进行纯对流换热计算;当数值仿真中考虑沸腾换热时,利用UDS功能将单相均质流沸腾换热模型和修正Franz渐进模型嵌入CFD软件中,对冷却系统进行沸腾换热计算。考虑沸腾换热的仿真计算中利用的是基于台架试验数据拟合得到的修正Franz模型,通过仿真结果和试验数据的对比发现,考虑沸腾换热后,采用修正Franz模型的仿真结果更接近试验数据,缸盖火力面温度的相对误差平均值比不考虑沸腾换热时降低37%,距火力面7mm处的缸盖内部温度的相对误差平均值比不考虑沸腾换热时降低37%。通过冷却系统仿真计算来对比Rohsenow模型和修正Franz模型精度,发现修正Franz模型仿真结果更接近于试验数据,修正Franz模型的仿真结果在缸盖各个区域的准确性均有所提高。因此本文中所使用的单相均质流沸腾换热模型和修正的Franz渐进模型在发动机冷却系统的计算中具有一定的实际价值。
【图文】：
＾池内沸腾逡逑对池内沸腾现象的研究对相关传热设备的设计优化具有重大的实以排除流动等复杂因素的影响，易于对沸腾换热过程进行系统化的宄，易于帮助我们弄清沸腾换热的规律及各影响因素之间的相互关为复杂的流动沸腾现象的研究提供一个可信度较高的基本沸腾模Ｍ为水平加热及大气压力下饱和水的完整沸腾曲线，图中池内沸要包括核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三种阶段。逡逑￣￣１邋￣ｒ￣＾１邋￣￣￣ｒ￣逡逑＇
在流动沸腾情况下，加热面上的气泡行为受到工质在流动方向上的附加作用，逡逑这使得流动沸腾中汽化过程有别于池内沸腾。考虑到缸盖结构的复杂性和发动机逡逑不同的冷却形式，发动机中最常见的是管内流动沸腾。图１－２是均匀加热的垂直逡逑管道内，流动沸腾过程的流型演变及换热系数和壁温的变化图。逡逑｜｜｜｜＾逦勒１eW热ｋ域｜换热系￥逡逑ｙ／ｊ流体温ｓ邋ｈＨ单n牛樱渝义希郑郑蓿颍妫驽义希海唬诲稳币呵澹义献剩殄澹苠危牵海海迹孀戴儒义希危у澹徨义稀晷鹭，
本文编号：2642046
【图文】：
＾池内沸腾逡逑对池内沸腾现象的研究对相关传热设备的设计优化具有重大的实以排除流动等复杂因素的影响，易于对沸腾换热过程进行系统化的宄，易于帮助我们弄清沸腾换热的规律及各影响因素之间的相互关为复杂的流动沸腾现象的研究提供一个可信度较高的基本沸腾模Ｍ为水平加热及大气压力下饱和水的完整沸腾曲线，图中池内沸要包括核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三种阶段。逡逑￣￣１邋￣ｒ￣＾１邋￣￣￣ｒ￣逡逑＇
在流动沸腾情况下，加热面上的气泡行为受到工质在流动方向上的附加作用，逡逑这使得流动沸腾中汽化过程有别于池内沸腾。考虑到缸盖结构的复杂性和发动机逡逑不同的冷却形式，发动机中最常见的是管内流动沸腾。图１－２是均匀加热的垂直逡逑管道内，流动沸腾过程的流型演变及换热系数和壁温的变化图。逡逑｜｜｜｜＾逦勒１eW热ｋ域｜换热系￥逡逑ｙ／ｊ流体温ｓ邋ｈＨ单n牛樱渝义希郑郑蓿颍妫驽义希海唬诲稳币呵澹义献剩殄澹苠危牵海海迹孀戴儒义希危у澹徨义稀晷鹭，
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