本文關(guān)鍵詞：基于氣泡行為的缸蓋沸騰冷卻應用研究

  更多相關(guān)文章： 高強化柴油機 缸蓋 沸騰冷卻 氣泡行為 壓力波動

【摘要】：沸騰冷卻具有傳熱效率高、冷卻系統(tǒng)體積小等優(yōu)勢，將其應用于缸蓋冷卻水腔可以有效解決缸蓋熱負荷高的難題，滿足現(xiàn)代高強化發(fā)動機的設(shè)計要求。針對缸蓋沸騰冷卻應用存在的諸多問題，本文從氣泡行為角度出發(fā)，利用實驗研究、理論分析、數(shù)值模擬等手段對缸蓋沸騰冷卻機理與應用進行了深入研究，主要研究內(nèi)容如下： 針對缸蓋沸騰傳熱特點，搭建了用于觀測氣泡行為的沸騰傳熱實驗平臺。通過實驗研究，建立了氣泡等待周期與脫離頻率及表面熱流間的實驗關(guān)聯(lián)式、驗證了氣泡脫離直徑預測模型的預測精度。通過氣泡行為的可視化觀察以及熱流等參數(shù)的測量研究，從氣泡行為角度闡述了沸騰傳熱的機理、解釋了沸騰傳熱規(guī)律變化的內(nèi)在原因：沸騰各個階段傳熱狀態(tài)是沸騰氣泡脫離行為誘發(fā)的“表面淬火”效應及氣泡附著生長行為誘發(fā)的“熱流阻隔”效應綜合作用的結(jié)果。 對氣泡消失、氣泡聚合、鼻梁區(qū)冷卻設(shè)計要求進行了深入研究，并據(jù)此提出了缸蓋沸騰應用可行域及控制策略�；趯嶒炗^測到的沸騰氣泡表面變形規(guī)律，建立了更為精確的氣泡消失數(shù)學模型；考慮鼻梁區(qū)特殊受熱狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特點，從沸騰換熱效率及氣泡能在缸蓋內(nèi)快速消失的角度，研究確定了沸騰控制上限為氣泡排除控制線：StControl=89×Pe-0.74，進而明確了有效利用沸騰冷卻的可行域，即沸騰起始線與沸騰控制上限之間的區(qū)域，并據(jù)此建立了缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻參數(shù)強化設(shè)計流程。 對缸蓋沸騰壓力波動監(jiān)測信號進行了實驗研究，比較了部分發(fā)展沸騰狀態(tài)、充分發(fā)展沸騰狀態(tài)、危險沸騰狀態(tài)下的壓力波動信號差異，得到危險沸騰狀態(tài)下的壓力信號呈脈動大且信號極不規(guī)則的特征；分析了沸騰壓力波動信號與氣泡行為之間的關(guān)系，得到壓力頻譜信號中最大功率譜密度對應頻率與氣泡簇行為頻率一致，均低于300Hz；據(jù)此從兩傳感器平均互相關(guān)系數(shù)及頻域信號角度提出了兩種危險沸騰狀態(tài)的壓力信號甄別方法：1）20-500Hz頻段內(nèi)兩傳感器的平均互相關(guān)系數(shù)小于0.82；2）400-500Hz頻段內(nèi)的最大功率譜密度值大于2×10-3(kPa)2/Hz。 由于氣泡脫離直徑、沸騰相變條件會隨著沸騰狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，而利用歐拉多相流計算模型計算沸騰狀態(tài)需要氣泡平均直徑和沸騰相變判定條件；本文在氣泡脫離直徑、沸騰相變條件與沸騰狀態(tài)關(guān)系以及氣泡平均直徑與氣泡脫離直徑關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，建立了考慮氣泡影響的多相流數(shù)值模擬迭代計算方法。并利用實驗數(shù)據(jù)對多相流數(shù)值模擬迭代計算方法的計算精度進行了校核。 結(jié)合前面研究成果，建立了缸蓋沸騰換熱設(shè)計流程，并以1015為原型機，完成了針對沸騰冷卻應用的冷卻參數(shù)重新設(shè)計：基于缸蓋反向冷卻方式，冷卻入口溫度確定為91℃，入口流速確定為2m/s。與原型機相比，重新設(shè)計的缸蓋溫度場分布更加均勻，，最高溫度降低了7K，最低溫度升高了4.5K，而流量降低了約40%。
【關(guān)鍵詞】：高強化柴油機 缸蓋 沸騰冷卻 氣泡行為 壓力波動
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 變量表13-16
• 圖目錄16-19
• 表目錄19-20
• 第1章 緒論20-42
• 1.1 選題的背景、目的和意義20-21
• 1.2 沸騰傳熱研究進展21-31
• 1.2.1 沸騰傳熱介紹21-23
• 1.2.2 沸騰傳熱理論模型研究進展23-26
• 1.2.3 沸騰特征點預測研究進展26-28
• 1.2.4 沸騰傳熱數(shù)值模擬研究進展28-31
• 1.3 缸蓋沸騰應用研究31-37
• 1.3.1 缸蓋沸騰冷卻應用研究進展31-33
• 1.3.2 缸蓋沸騰應用主要問題研究33-35
• 1.3.3 缸蓋沸騰冷卻應用前景35-37
• 1.4 氣泡行為研究概述37-39
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容39-42
• 第2章 缸蓋沸騰氣泡行為研究42-62
• 2.1 沸騰換熱實驗平臺42-45
• 2.1.1 沸騰氣泡行為觀測實驗件44
• 2.1.2 沸騰測試系統(tǒng)44-45
• 2.2 氣泡生長階段行為45-48
• 2.2.1 沸騰氣泡核化條件45
• 2.2.2 氣泡等待周期45-47
• 2.2.3 氣泡生長模型47-48
• 2.3 氣泡脫離階段行為48-52
• 2.3.1 氣泡脫離直徑預測模型48-50
• 2.3.2 氣泡脫離直徑影響因素分析50-51
• 2.3.3 氣泡脫離直徑預測模型實驗對比分析51-52
• 2.4 氣泡行為與沸騰傳熱機理研究52-60
• 2.4.1 基于氣泡行為的沸騰曲線解釋52-53
• 2.4.2 氣泡行為觀測實驗研究53-55
• 2.4.3 氣泡滑移現(xiàn)象淺析55-56
• 2.4.4 基于氣泡行為的沸騰傳熱機理闡釋56-58
• 2.4.5 流動參數(shù)對沸騰傳熱的影響58-60
• 2.5 本章小結(jié)60-62
• 第3章 缸蓋沸騰應用可行域研究62-80
• 3.1 柴油機沸騰整體控制要求62
• 3.2 氣泡消失控制要求62-70
• 3.2.1 氣泡消失研究概述63
• 3.2.2 氣泡消失可視化試驗研究63-66
• 3.2.3 沸騰氣泡消失數(shù)學模型66-69
• 3.2.4 缸蓋沸騰氣泡消失控制69-70
• 3.3 氣泡聚合抑制要求70-72
• 3.4 缸蓋沸騰冷卻應用參數(shù)設(shè)計72-78
• 3.4.1 缸蓋沸騰冷卻參數(shù)設(shè)計實驗研究73-75
• 3.4.2 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻參數(shù)設(shè)計要求75
• 3.4.3 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻可行域75-76
• 3.4.4 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻可行域分析76-77
• 3.4.5 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰可行域適用性分析77-78
• 3.4.6 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰參數(shù)強化設(shè)計流程78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 第4章 缸蓋沸騰冷卻監(jiān)測方法80-102
• 4.1 缸蓋沸騰應用監(jiān)測方法簡述80-81
• 4.1.1 溫度監(jiān)控80-81
• 4.1.2 壓力監(jiān)控81
• 4.2 實驗裝置介紹81-84
• 4.2.1 試驗傳感器介紹81-82
• 4.2.2 其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)82
• 4.2.3 壓力數(shù)據(jù)分析方法82
• 4.2.4 沸騰壓力信號監(jiān)測頻段確定82-84
• 4.3 沸騰監(jiān)測方法試驗研究84-96
• 4.3.1 氣泡行為引起的壓力波動分析84-85
• 4.3.2 沸騰壓力波動信號分析85-90
• 4.3.3 沸騰壓力波動信號與氣泡行為的關(guān)系90-93
• 4.3.4 沸騰壓力波動信號影響因素分析93-95
• 4.3.5 傳感器安裝位置對監(jiān)測信號的影響95-96
• 4.4 沸騰監(jiān)測點的確定96-100
• 4.5 本章小結(jié)100-102
• 第5章 缸蓋沸騰多相流數(shù)值模擬102-122
• 5.1 歐拉多相流數(shù)值計算模型介紹102-103
• 5.2 歐拉多相流數(shù)值計算模型框架103-107
• 5.2.1 兩相動力學模型103
• 5.2.2 相間動量傳遞模型103-104
• 5.2.3 相間質(zhì)量傳遞模型104-105
• 5.2.4 熱流傳遞模型105-107
• 5.3 歐拉多相流數(shù)值計算模型修正107-110
• 5.3.1 沸騰相變判定條件107
• 5.3.2 沸騰氣泡平均直徑107-108
• 5.3.3 歐拉多相流數(shù)值模擬流程108-110
• 5.4 歐拉多相流數(shù)值模擬的實驗驗證110-111
• 5.5 缸蓋溫度場數(shù)值計算分析111-120
• 5.5.1 缸蓋溫度場計算模型參數(shù)111-115
• 5.5.2 缸蓋沸騰溫度場計算結(jié)果分析115-116
• 5.5.3 歐拉多相流計算模型優(yōu)勢分析116-117
• 5.5.4 歐拉多相流數(shù)值模擬方法優(yōu)勢分析117-119
• 5.5.5 缸蓋沸騰傳熱影響因素分析119-120
• 5.6 本章小結(jié)120-122
• 第6章 新型缸蓋沸騰冷卻應用設(shè)計122-128
• 6.1 缸蓋沸騰換熱設(shè)計要求122
• 6.2 缸蓋沸騰換熱設(shè)計流程122-126
• 6.2.1 缸蓋沸騰冷卻總體參數(shù)的設(shè)計122-123
• 6.2.2 缸蓋沸騰冷卻水流方案的設(shè)計123-125
• 6.2.3 缸蓋沸騰冷卻參數(shù)的設(shè)計125-126
• 6.3 缸蓋沸騰冷卻設(shè)計結(jié)果校核126-127
• 6.4 本章小結(jié)127-128
• 結(jié)論與展望128-133
• 主要結(jié)論128-131
• 本文的創(chuàng)新之處131
• 對今后工作的展望131-133
• 參考文獻133-143
• 在讀博士期間發(fā)表論文與研究成果143-144
• 致謝144-145
• 作者簡介145

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 任惠民;任繼文;吳建全;張然治;倪磊;;現(xiàn)代軍車動力的經(jīng)典——890系列柴油機[J];車用發(fā)動機;2006年05期

2 成曉北;潘立;鞠洪玲;;現(xiàn)代車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究進展[J];車用發(fā)動機;2008年01期

3 倪明玖;;浮力作用下上升氣泡的變形和駐渦形成機理研究[J];工程熱物理學報;2009年01期

4 蔡銳彬，盧振雄，羅曉波;小型柴油機高溫冷卻效果的研究[J];華南理工大學學報(自然科學版);1995年05期

5 于秀敏;陳海波;黃海珍;陳群;高瑩;;發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中流動與傳熱問題數(shù)值模擬進展[J];機械工程學報;2008年10期

6 李婷;俞小莉;李迎;李京魯;李紅珍;;基于有限元法的活塞-缸套-冷卻水系統(tǒng)固流耦合傳熱研究[J];內(nèi)燃機工程;2006年05期

7 董非;郭晨海;范秦寅;蔡憶昔;姜樹李;;發(fā)動機冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱的模擬研究[J];內(nèi)燃機工程;2011年04期

8 李迎;俞小莉;陳紅巖;李孝祿;;發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流固耦合穩(wěn)態(tài)傳熱三維數(shù)值仿真[J];內(nèi)燃機學報;2007年03期

9 劉永;李國祥;付松;石秀勇;白書戰(zhàn);;一種適用于缸蓋水腔沸騰傳熱計算的模型[J];內(nèi)燃機學報;2008年01期

10 李智;黃榮華;程曉軍;李威;;內(nèi)燃機缸蓋水腔內(nèi)過冷沸騰數(shù)值模型研究[J];內(nèi)燃機學報;2010年03期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 傅松;缸蓋冷卻水套內(nèi)沸騰傳熱特性的研究[D];山東大學;2010年

2 陳海波;汽油機固—液耦合及沸騰傳熱研究[D];吉林大學;2009年

本文編號：1103980