【摘要】：內(nèi)燃機(jī)作為最常見的一種動(dòng)力機(jī)械,隨著對(duì)其動(dòng)力性能要求的提高及排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,發(fā)動(dòng)機(jī)向著高強(qiáng)化、高功率密度的方向發(fā)展,這必然會(huì)導(dǎo)致爆發(fā)壓力和熱負(fù)荷的提高,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的換熱能力也面臨著巨大的挑戰(zhàn),眾所周知缸蓋水套中存在一定程度的沸騰換熱現(xiàn)象,其具有強(qiáng)化換熱的能力,因此如何合理利用沸騰換熱的高傳熱能力是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)精確冷卻的關(guān)鍵,這也是未來內(nèi)燃機(jī)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。為了更好地利用沸騰現(xiàn)象的高換熱能力,需要對(duì)沸騰現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)合CFD數(shù)值分析得到適用于內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的沸騰換熱模型,但內(nèi)燃機(jī)缸蓋水套結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及沸騰換熱的多變性使常規(guī)的實(shí)驗(yàn)手段不能奏效,本文以等效截面通道的沸騰換熱臺(tái)架試驗(yàn)為依托,研究不同因素對(duì)沸騰換熱的影響,結(jié)合單相均質(zhì)流沸騰換熱模型,進(jìn)行基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的模擬計(jì)算。本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水腔內(nèi)存在的沸騰換熱現(xiàn)象及單相均質(zhì)流沸騰模型的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究:1)內(nèi)燃機(jī)缸蓋的冷卻水腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過簡(jiǎn)易通道對(duì)比試驗(yàn)來研究沸騰換熱現(xiàn)象是目前最直接有效的方式。本文通過建立矩形截面通道、水平加熱的沸騰換熱試驗(yàn)臺(tái)架研究沸騰換熱,加熱金屬采用鑄鐵材料,以電磁感應(yīng)方式進(jìn)行加熱,研究工作壓力、介質(zhì)流速和主流體溫度對(duì)沸騰換熱的影響,介質(zhì)流速越高、工作壓力越低、主流體溫度越低,達(dá)到相同壁面溫度條件所需的熱流密度越大,沸騰發(fā)生所需要的熱流量越大,而冷卻介質(zhì)流速的增加、介質(zhì)主流體溫度越低和工作壓力越大,會(huì)使沸騰起始點(diǎn)位置越靠后。2)在單相對(duì)流換熱模型基礎(chǔ)上,將氣泡和液態(tài)介質(zhì)作為一種混合相,引入空泡份額概念,通過空泡份額大小反映沸騰發(fā)生的劇烈程度以及氣泡的分布情況,利用質(zhì)量守恒規(guī)律推導(dǎo)出質(zhì)量含氣率控制方程,結(jié)合單向流控制方程進(jìn)行聯(lián)立求解。將專家學(xué)者廣泛應(yīng)用的經(jīng)典沸騰換熱模型如:Chen模型、Rohsenow模型和Franz漸進(jìn)模型,與沸騰臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)Franz模型沸騰曲線形式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律類似,依據(jù)沸騰臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Franz漸進(jìn)模型進(jìn)行修正,極大地提高了修正Franz模型在以鑄鐵為缸蓋材料的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算中的適用性。3)以Duets226-B型柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象,將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行若干個(gè)小時(shí),待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后,利用熱電偶測(cè)溫法和硬度塞測(cè)溫法測(cè)量缸蓋火力面測(cè)點(diǎn)溫度、距火力面7mm處缸蓋內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度和缸蓋水套測(cè)點(diǎn)溫度,進(jìn)而通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析缸蓋溫度場(chǎng)分布情況,并為隨后進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模擬仿真提供對(duì)比依據(jù)。4)為了考察沸騰現(xiàn)象對(duì)缸蓋水套內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)傳熱的影響,基于流-固耦合算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)數(shù)值仿真中不考慮沸騰換熱時(shí),利用CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行純對(duì)流換熱計(jì)算;當(dāng)數(shù)值仿真中考慮沸騰換熱時(shí),利用UDS功能將單相均質(zhì)流沸騰換熱模型和修正Franz漸進(jìn)模型嵌入CFD軟件中,對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行沸騰換熱計(jì)算�？紤]沸騰換熱的仿真計(jì)算中利用的是基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的修正Franz模型,通過仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),考慮沸騰換熱后,采用修正Franz模型的仿真結(jié)果更接近試驗(yàn)數(shù)據(jù),缸蓋火力面溫度的相對(duì)誤差平均值比不考慮沸騰換熱時(shí)降低37%,距火力面7mm處的缸蓋內(nèi)部溫度的相對(duì)誤差平均值比不考慮沸騰換熱時(shí)降低37%。通過冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算來對(duì)比Rohsenow模型和修正Franz模型精度,發(fā)現(xiàn)修正Franz模型仿真結(jié)果更接近于試驗(yàn)數(shù)據(jù),修正Franz模型的仿真結(jié)果在缸蓋各個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確性均有所提高。因此本文中所使用的單相均質(zhì)流沸騰換熱模型和修正的Franz漸進(jìn)模型在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的計(jì)算中具有一定的實(shí)際價(jià)值。
【圖文】：

＾池內(nèi)沸騰逡逑對(duì)池內(nèi)沸騰現(xiàn)象的研究對(duì)相關(guān)傳熱設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重大的實(shí)以排除流動(dòng)等復(fù)雜因素的影響，易于對(duì)沸騰換熱過程進(jìn)行系統(tǒng)化的宄，易于幫助我們弄清沸騰換熱的規(guī)律及各影響因素之間的相互關(guān)為復(fù)雜的流動(dòng)沸騰現(xiàn)象的研究提供一個(gè)可信度較高的基本沸騰模Ｍ為水平加熱及大氣壓力下飽和水的完整沸騰曲線，圖中池內(nèi)沸要包括核態(tài)沸騰、過渡沸騰和膜態(tài)沸騰三種階段。逡逑￣￣１邋￣ｒ￣＾１邋￣￣￣ｒ￣逡逑＇

在流動(dòng)沸騰情況下，加熱面上的氣泡行為受到工質(zhì)在流動(dòng)方向上的附加作用，逡逑這使得流動(dòng)沸騰中汽化過程有別于池內(nèi)沸騰。考慮到缸蓋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和發(fā)動(dòng)機(jī)逡逑不同的冷卻形式，發(fā)動(dòng)機(jī)中最常見的是管內(nèi)流動(dòng)沸騰。圖１－２是均勻加熱的垂直逡逑管道內(nèi)，流動(dòng)沸騰過程的流型演變及換熱系數(shù)和壁溫的變化圖。逡逑｜｜｜｜＾邐勒１eW熱ｋ域｜換熱系￥逡逑ｙ／ｊ流體溫ｓ邋ｈＨ單n牛櫻渝義希鄭鄭蓿潁媯駑義希�；Ｕd穩(wěn)幣呵澹義獻(xiàn)剩殄澹苠危牽海海跡孀戴儒義希危у澹徨義稀晷鷺，

本文編號(hào)：2642046