本文關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋沸騰傳熱汽泡演化行為可視化實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：本文以某高強(qiáng)化增壓柴油機(jī)為研究對象,開展氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱和可視化實(shí)驗(yàn)研究。完成了氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱和可視化實(shí)驗(yàn)平臺的布置和搭建,在實(shí)驗(yàn)過程中,拍攝了內(nèi)燃機(jī)不同運(yùn)行工況和流動參數(shù)下鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡的演化行為,同時采集了內(nèi)燃機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)及測點(diǎn)的溫度等數(shù)據(jù)。通過對圖像的處理,分析了不同工況和流動參數(shù)下汽泡的核化、成長、滑移和聚合等行為的現(xiàn)象及機(jī)理,并探討了汽泡的演化行為對沸騰換熱性能的影響規(guī)律。全文工作內(nèi)容及所得的主要結(jié)論概括如下:(1)通過可視化圖像發(fā)現(xiàn),在標(biāo)定工況下內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔內(nèi)熱流量較大的鼻梁區(qū)域存在沸騰換熱現(xiàn)象。對汽泡的成長可視化圖像分析得,隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加,汽泡成長平均直徑逐漸增加。在成長初始階段汽泡成長速度較快,而汽泡頂部受冷凝作用后,成長變得緩慢;對滑移行為圖像中,兩個典型汽泡的運(yùn)動特性分析得,滑移速度分別為0.0514m/s和0.0852m/s的汽泡,其處于加速滑移階段。而滑移速度分別為0.1268m/s和0.0282m/s的汽泡,其受力狀況產(chǎn)生了變化,受到的阻力不斷增大;由汽泡聚合行為圖像的研究發(fā)現(xiàn),在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下,汽泡當(dāng)量直徑分布符合正態(tài)分布規(guī)律,且擬合曲線的確定系數(shù)均值為98.72%。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加,擬合曲線的分散尺度參數(shù)σ逐漸增加。在σ達(dá)到最大值0.56時,汽泡的當(dāng)量直徑分布波動的程度最為劇烈,表明汽泡的聚合現(xiàn)象越多對整體汽泡行為的隨機(jī)性影響越強(qiáng)烈。(2)對比分析低速大負(fù)荷和最大扭矩工況下沸騰汽泡的成長特性得,最大扭矩工況下汽泡成長的平均直徑與低速大負(fù)荷工況的相比平均增幅達(dá)到19%。由機(jī)理分析可知,最大扭矩工況下受熱面上熱負(fù)荷狀況更嚴(yán)峻,汽泡成長能夠獲得更多的熱量和質(zhì)量,從而更容易形成尺寸較大的汽泡;對兩個工況下汽泡運(yùn)動特性對比研究得,最大扭矩工況下汽泡平均滑移速度為0.12m/s要明顯大于低速大負(fù)荷工況下的0.056m/s;研究了不同工況下汽泡當(dāng)量直徑的分布規(guī)律得,最大扭矩工況的汽泡平均當(dāng)量直徑與低速大負(fù)荷工況的相比平均增幅分別為13%和9.3%,表明最大扭矩工況下汽泡聚合行為對汽泡當(dāng)量直徑的分布影響程度要比低速大負(fù)荷工況更明顯。(3)研究了過冷度和流量等流動參數(shù)對沸騰汽泡演化行為的影響規(guī)律。對各工況下汽泡演化行為圖像分析發(fā)現(xiàn),汽泡成長的平均直徑、汽泡滑移的平均速度以及聚合汽泡的平均當(dāng)量直徑都隨過冷度或流量的減小而逐漸增加,兩種流動工況下汽泡成長直徑的平均增幅最高值分別為0.12mm和0.77mm。在高過冷度和流量工況下,單相對流換熱起著主導(dǎo)的作用。過冷的流體能有效增加過熱流體層內(nèi)激冷作用的換熱量,受高速流體沖刷作用影響,汽泡數(shù)目多而尺寸小;在低過冷度和低流量工況下,汽泡受力狀況穩(wěn)定,產(chǎn)生滑移和聚合行為的可能性增加,汽泡間劇烈的擾動能有效地提升沸騰換熱的性能。熱流體能提供更多用于汽泡成長的能量和質(zhì)量,低流量下汽泡的數(shù)目少而尺寸大。(4)最后結(jié)合氣缸蓋沸騰傳熱結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,在標(biāo)定工況下,隨著冷卻流量降低,其它測點(diǎn)溫度有緩慢增長的趨勢,但鼻梁區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)的溫度值有了小幅下降,表明鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡的核化、成長、滑移和聚合等行為促進(jìn)該區(qū)域汽液兩相間質(zhì)量和能量的傳遞,起到顯著的強(qiáng)化傳熱作用。盡管冷卻流量下降最大幅值達(dá)20%,單相對流換熱的作用減弱,但對內(nèi)燃機(jī)缸蓋水腔冷卻換熱并沒有形成影響,而且在高熱流密度區(qū)域沸騰換熱的作用進(jìn)一步增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK401

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