為滿足“高效節(jié)能與超低排放”的現(xiàn)實目標(biāo),大量先進(jìn)技術(shù)被采用,空間結(jié)構(gòu)愈發(fā)緊湊,引起局部有限空間內(nèi)熱流密度的急劇提高,給內(nèi)燃機(jī)傳熱冷卻帶來巨大挑戰(zhàn)。沸騰傳熱以高效換熱和均溫特性日益受到廣泛關(guān)注。由于冷卻水腔結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,目前數(shù)值研究大多采用商業(yè)軟件對冷卻水腔內(nèi)的沸騰傳熱過程加以分析,一方面忽略固體側(cè)的真實傳熱邊界條件對流體域的影響,另一方面商業(yè)軟件有局限性,均導(dǎo)致計算結(jié)果精度還有待提高。為此,本文基于開源CFD軟件OpenFOAM的框架,首先建立沸騰換熱的計算模擬平臺;針對內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔內(nèi)存在的過冷流動沸騰現(xiàn)象,提出改進(jìn)的Lee相間傳質(zhì)模型,開發(fā)適合于內(nèi)燃機(jī)工況的過冷流動沸騰傳熱求解器;依據(jù)熱流固耦合思想,在上述求解器中進(jìn)一步引入固體域熱傳導(dǎo)方程,提出流固耦合邊界條件,進(jìn)而開發(fā)出固-液-氣三相的過冷流動沸騰熱流固求解器,推動了內(nèi)燃機(jī)沸騰相變傳熱理論和數(shù)值模擬手段的進(jìn)步。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)基于VOF方法,引入描述蒸發(fā)冷凝作用的Lee相間傳質(zhì)模型,以源項考慮相變作用,重構(gòu)了相分?jǐn)?shù)方程的源項。并將蒸發(fā)和冷凝作用引入壓力泊松方程,采用PIMPLE算法求解速度-壓力場耦合過程,自行設(shè)計整體架構(gòu)和相變模塊庫,最后基于OpenFOAM搭建了沸騰換熱的數(shù)值模擬平臺,并以一維Stenfan和二維膜態(tài)沸騰問題為對象完成驗證。(2)針對典型內(nèi)燃機(jī)工況下冷卻水腔內(nèi)為過冷流動沸騰換熱,此過程中高溫區(qū)的蒸發(fā)作用以及主流區(qū)的冷凝作用導(dǎo)致氣相和液相占比發(fā)生變化,考慮不同工況下過熱度、飽和溫度、過冷度和雷諾數(shù)等參數(shù)對相間傳質(zhì)傳熱的影響,從而修正Lee傳質(zhì)模型中的時間弛豫參數(shù)(),對相間傳質(zhì)模型進(jìn)行改進(jìn),得到的壁面過熱度相對誤差在20%以內(nèi),小于原始Lee傳質(zhì)模型的模擬誤差。模擬其它文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù),得到的結(jié)果誤差也都小于25%。最后開發(fā)出適合于內(nèi)燃機(jī)工況的過冷流動沸騰傳熱求解器,實現(xiàn)了對過冷流動沸騰復(fù)雜傳熱過程較為精確的模擬。(3)利用過冷流動沸騰傳熱求解器研究典型內(nèi)燃機(jī)工況下不同流動參數(shù)對熱流密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)入口流速較小時,熱流密度的增長速度大于壁面過熱度的增長速度,入口流速較大時,流體帶走加熱區(qū)域附近的大量熱量,汽泡生長所需能量變少,沸騰受到抑制,沸騰換熱曲線斜率上升緩慢。壁面過熱度增大,沸騰曲線的斜率逐漸變大,入口溫度越高,液體只需吸收較少熱量,就能達(dá)到沸騰要求,斜率上升得越早。系統(tǒng)壓力直接改變流體的飽和溫度以及流體物性,增大壓力可抑制沸騰。(4)在過冷流動沸騰傳熱求解器基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入了固體域部分的熱傳導(dǎo)方程,用特殊關(guān)鍵詞各自標(biāo)記流體域和固體域的物理場和網(wǎng)格。依據(jù)分區(qū)求解、邊界耦合原則編寫流固間耦合換熱的邊界條件,開發(fā)出固-液-氣三相的過冷流動沸騰熱流固求解器chtEvaConFoam。對比分析兩個實例中沸騰換熱曲線和氣相體積分?jǐn)?shù)分布的模擬值和試驗值,此求解器可準(zhǔn)確模擬流體域內(nèi)沸騰換熱過程以及固體域的溫度分布情況。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

各章節(jié)的聯(lián)系框架圖

基于 OpenFOAM 的過冷流動沸騰熱流固耦合模擬研究于氣體動力學(xué)理論，從 Hertz Knudsen 方程[52]簡化而的表達(dá)方式，蒸發(fā)速率取決于液體壓力和溫度，冷凝。示撞擊相界面的氣體分子可通過冷凝作用進(jìn)入液相，方面，當(dāng)液體分子撞擊相界面時，它們中的一部分通的被反射回液相。Knudsen[52]定義了蒸發(fā)系數(shù)（ ）和冷液體分子在撞擊氣液相界面時轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的比例， 凝的氣體分子比例。

實現(xiàn)對沸騰換熱模擬平臺的驗證。enFOAM 簡介enFOAM 根據(jù)有限體積法對偏微分方程進(jìn)行求解，采用的是面nFOAM 的基本框架如圖 3.1 所示，可分為三個部分：主要包括-pocessing）、求解部分（Solving）及數(shù)據(jù)后處理部分（Post-po庫（Library）來描述燃燒、空化和湍流等常見現(xiàn)象，模擬流體反應(yīng)、多相流傳熱等問題，甚至還能處理電學(xué)和金融問題。它的幾何形狀，支持區(qū)域分解并行計算等優(yōu)點。OpenFOAM 提處理軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口，支持第三方軟件生成的復(fù)雜網(wǎng)格轉(zhuǎn)術(shù)，這使得 CFD 模擬工作的前后處理更加便利。研究者可以立新模型并植入到軟件內(nèi)，也可以修改底層文件，開發(fā)新的高提高計算精度。

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本文編號：2826486