本文選題：納米流體　切入點(diǎn)：多相流模型　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高,活塞承受的熱負(fù)荷急劇增加。單純?cè)龃蠡蚋倪M(jìn)活塞振蕩冷卻油腔的結(jié)構(gòu),已經(jīng)不能滿足一些工況下的散熱需求,因此需要選擇一種換熱性能更好的冷卻工質(zhì)。納米流體具有十分優(yōu)異的傳熱特性,如果能夠?qū)⑵渥鳛檎袷幚鋮s油腔的工作介質(zhì),則可以有效降低活塞的整體溫度。然而在流動(dòng)切向往復(fù)振蕩作用下,冷卻油腔內(nèi)部的機(jī)油和空氣形成的氣液兩相混合物,與壁面沖擊傳熱的過程十分復(fù)雜。涉及到氣液兩相流體的撞擊、分離、再附著等振蕩混合過程,其機(jī)理還沒有完全搞清楚�，F(xiàn)階段還沒有一套較為完整的理論,對(duì)這種狀態(tài)下氣液兩相流的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。當(dāng)采用納米流體作為活塞冷卻油腔的換熱介質(zhì)后,此時(shí)的氣液兩相流(空氣和機(jī)油)變成了固氣液三相流(納米顆粒、空氣、機(jī)油),流動(dòng)與換熱過程更加復(fù)雜,從而限制了納米流體在活塞冷卻油腔中的應(yīng)用。為此,有必要對(duì)納米流體常規(guī)條件下的流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行深入探索,通過基礎(chǔ)研究來揭示納米流體強(qiáng)化傳熱的物理機(jī)制,完善納米流體的數(shù)學(xué)物理模型。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考察沖擊射流和往復(fù)振蕩條件下,納米流體的流動(dòng)與傳熱特性,最后再將其應(yīng)用于活塞振蕩冷卻油腔的散熱過程。本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段對(duì)納米流體進(jìn)行研究,從微流動(dòng)的角度解釋了納米流體強(qiáng)化換熱的物理機(jī)制,解決了納米流體強(qiáng)化活塞冷卻油腔傳熱的基礎(chǔ)問題,豐富了往復(fù)振蕩條件下氣液兩相流以及固氣液三相流強(qiáng)化傳熱的理論體系,具有較為重要的理論研究意義和工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。具體的研究工作如下：1.從固液兩相的動(dòng)量守恒方程出發(fā),推導(dǎo)了適用于納米顆粒的虛擬粘度模型。該模型精度明顯好于基于高濃度、大尺度粒子流的經(jīng)驗(yàn)公式和基于分子運(yùn)動(dòng)論的推導(dǎo)公式,可以為納米流體的Eulerian模型提供參考；2.通過比較不同模型,考察了納米流體的湍流流動(dòng)特性。結(jié)果表明：除了物性參數(shù)的改變外,相間的速度滑移所引起的脈動(dòng)速度、雷諾應(yīng)力和小尺度渦量的增加,以及納米顆粒的遷移效應(yīng)所引起的物性參數(shù)隨空間的非均勻性分布,也是納米流體強(qiáng)化傳熱的重要因素；3.考察了不同噴射距離條件下,納米流體的射流沖擊換熱特性。探討了不同湍流模型、壁面函數(shù)和多相流模型的預(yù)測(cè)能力,分析了納米顆粒加入后對(duì)基礎(chǔ)流場(chǎng)的影響；4.建立了與流動(dòng)方向垂直的往復(fù)振蕩作用下,氣液兩相流(空氣+基礎(chǔ)流體)和固氣液三相流(納米顆粒+空氣+基礎(chǔ)流體)在活塞冷卻油腔內(nèi)部與壁面?zhèn)鳠岬臄?shù)理模型。發(fā)現(xiàn)壁面剪切應(yīng)力、流體平均速度和納米顆粒濃度共同決定了振蕩過程的換熱效果。并定量提出了往復(fù)振蕩條件下,強(qiáng)化換熱的判定準(zhǔn)則；5.將納米流體應(yīng)用于實(shí)際內(nèi)燃機(jī)活塞的散熱過程,研究了不同種類、不同濃度納米流體在冷卻油腔內(nèi)部的瞬時(shí)流動(dòng)和換熱特性。采用納米流體作為活塞冷卻油腔的換熱介質(zhì)后,可以有效降低活塞的整體熱負(fù)荷。以體積分?jǐn)?shù)為1%和2%的銅-機(jī)油納米流體為例,相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)油,一個(gè)振蕩周期內(nèi)的平均對(duì)流換熱系數(shù)分別提高了24.93%和35.79%。
[Abstract]:With the continuous improvement of the degree of enhancement of the engine, the heat load increases dramatically. The piston structure simply increase or improve the piston oscillation cooling oil chamber, has been unable to meet the cooling demand of some conditions, therefore need to select a better heat transfer performance of refrigerant cooling. Nano fluid has excellent heat transfer properties, if it can be as the working medium oscillating cooling oil cavity, it can effectively reduce the overall temperature of the piston. However in tangential flow reciprocating oscillation, gas-liquid two-phase mixture cooling oil chamber inside the oil and air formation, and wall impingement heat transfer is very complex. Involves gas-liquid separation, impact the reattachment of oscillation mixing process, its mechanism is not entirely clear. At present there is not a complete theory, on the flow and heat transfer of gas-liquid two-phase flow in this condition To accurately describe the process. When using nano fluid as a heat transfer medium piston cooling oil chamber, the gas-liquid two-phase flow (air and oil) into a liquid solid three-phase flow (nano particles, air, oil), flow and heat transfer process is more complicated, which limits the application of nanofluids in piston cooling oil in the cavity. Therefore, it is necessary to conduct in-depth exploration of the flow and heat transfer characteristics of nanofluids under normal conditions, the physical mechanism of heat transfer enhancement of nanofluids to reveal through basic research, improve the physical and mathematical model of nano fluids. On this basis, further investigation of impinging jet and vibration conditions, flow and heat transfer characteristics of nano the fluid, the heat transfer process of its application in piston cooling oil chamber. By combining experimental and numerical simulation method for the study of nano fluids, from micro flow angle To explain the physical mechanism of nano fluid heat transfer enhancement, solve the basic problem to strengthen the piston cooling oil chamber heat transfer nanofluids, enrich the gas-liquid two-phase flow under the conditions of the theoretical system of reciprocating oscillation and heat transfer enhancement of solid gas liquid three-phase flow, and has important theoretical significance and practical value in engineering application. The main research is as follows 1.: from the momentum equation of solid-liquid two-phase of virtual viscosity model applicable to nano particles was deduced. The accuracy of the model is significantly better than the empirical formula based on high concentration, large scale particle flow and based on the formula of molecular motion theory, can provide a reference for the Eulerian model of nanofluids; 2. through the comparison of different models. Study the turbulent flow characteristics of nanofluids. The results showed that: in addition to physical parameters change, fluctuating velocity and slip velocity caused by the Reynolds stress Increased stress and small scale vortex, non uniform distribution of physical parameters caused by the effect of nano particles and migration with the space, it is also an important factor in nano fluid heat transfer enhancement; 3. were investigated under the condition of jet distance, jet impingement heat transfer characteristics of nanofluids. Discussed the different turbulence model, forecast the ability of wall function and multiphase flow model, analyzes the influence on flow field based nano particles; 4. built reciprocating oscillation perpendicular to the direction of flow, gas-liquid two-phase flow (air + fluid) and liquid solid three-phase flow (air + + nano particle based fluid) in the mathematical model of heat transfer of piston the internal cooling oil chamber and the wall surface. It is found that the wall shear stress, flow velocity and the concentration of nano particles determines the effect of heat transfer and the reciprocating oscillation process. The oscillation conditions are presented quantitatively, heat transfer enhancement judgment 5. set standards; nanofluids applied to internal combustion engine piston cooling process of different kinds and different concentrations of nanofluids in instantaneous internal cooling oil cavity flow and heat transfer characteristics. The use of nano fluid as a heat transfer medium piston cooling oil cavity, can effectively reduce the overall low heat load by volume of the piston. Fraction 1% and 2% copper oil nano fluid as an example, compared with the traditional oil, the average convection of an oscillation period of heat transfer coefficient was increased by 24.93% and 35.79%.

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK403

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本文編號(hào)：1635530