發(fā)布時間：2020-04-27 08:01

【摘要】：內(nèi)燃機作為最常見的一種動力機械,隨著對其動力性能要求的提高及排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,發(fā)動機向著高強化、高功率密度的方向發(fā)展,這必然會導(dǎo)致爆發(fā)壓力和熱負(fù)荷的提高,從而使得發(fā)動機冷卻系統(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現(xiàn)內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)精確冷卻的關(guān)鍵,這也是未來內(nèi)燃機整個冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為了更好地利用沸騰現(xiàn)象的高換熱能力,需要對沸騰現(xiàn)象進行試驗研究,結(jié)合CFD數(shù)值分析得到適用于內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的沸騰換熱模型,但內(nèi)燃機缸蓋水套結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及沸騰換熱的多變性使常規(guī)的實驗手段不能奏效,本文以等效截面通道的沸騰換熱臺架試驗為依托,研究不同因素對沸騰換熱的影響,結(jié)合單相均質(zhì)流沸騰換熱模型,進行基于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的模擬計算。本文主要從以下幾個方面對發(fā)動機冷卻水腔內(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)用進行深入的研究:1)內(nèi)燃機缸蓋的冷卻水腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過簡易通道對比試驗來研究沸騰換熱現(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臺架研究沸騰換熱,加熱金屬采用鑄鐵材料,以電磁感應(yīng)方式進行加熱,研究工作壓力、介質(zhì)流速和主流體溫度對沸騰換熱的影響,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,會使沸騰起始點位置越靠后。2)在單相對流換熱模型基礎(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漸進模型,與沸騰臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)Franz模型沸騰曲線形式與試驗數(shù)據(jù)規(guī)律類似,依據(jù)沸騰臺架試驗數(shù)據(jù)對Franz漸進模型進行修正,極大地提高了修正Franz模型在以鑄鐵為缸蓋材料的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)數(shù)值計算中的適用性。3)以Duets226-B型柴油機為試驗對象,將整個發(fā)動機系統(tǒng)在額定工況下運行若干個小時,待發(fā)動機運行穩(wěn)定后,利用熱電偶測溫法和硬度塞測溫法測量缸蓋火力面測點溫度、距火力面7mm處缸蓋內(nèi)部測點溫度和缸蓋水套測點溫度,進而通過試驗數(shù)據(jù)來分析缸蓋溫度場分布情況,并為隨后進行的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模擬仿真提供對比依據(jù)。4)為了考察沸騰現(xiàn)象對缸蓋水套內(nèi)介質(zhì)流動傳熱的影響,基于流-固耦合算法對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行仿真計算。當(dāng)數(shù)值仿真中不考慮沸騰換熱時,利用CFD軟件對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行純對流換熱計算;當(dāng)數(shù)值仿真中考慮沸騰換熱時,利用UDS功能將單相均質(zhì)流沸騰換熱模型和修正Franz漸進模型嵌入CFD軟件中,對冷卻系統(tǒng)進行沸騰換熱計算�？紤]沸騰換熱的仿真計算中利用的是基于臺架試驗數(shù)據(jù)擬合得到的修正Franz模型,通過仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn),考慮沸騰換熱后,采用修正Franz模型的仿真結(jié)果更接近試驗數(shù)據(jù),缸蓋火力面溫度的相對誤差平均值比不考慮沸騰換熱時降低37%,距火力面7mm處的缸蓋內(nèi)部溫度的相對誤差平均值比不考慮沸騰換熱時降低37%。通過冷卻系統(tǒng)仿真計算來對比Rohsenow模型和修正Franz模型精度,發(fā)現(xiàn)修正Franz模型仿真結(jié)果更接近于試驗數(shù)據(jù),修正Franz模型的仿真結(jié)果在缸蓋各個區(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漸進模型在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的計算中具有一定的實際價值。
【圖文】：

＾池內(nèi)沸騰逡逑對池內(nèi)沸騰現(xiàn)象的研究對相關(guān)傳熱設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化具有重大的實以排除流動等復(fù)雜因素的影響，易于對沸騰換熱過程進行系統(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)雜的流動沸騰現(xiàn)象的研究提供一個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＇

在流動沸騰情況下，加熱面上的氣泡行為受到工質(zhì)在流動方向上的附加作用，逡逑這使得流動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)動機逡逑不同的冷卻形式，發(fā)動機中最常見的是管內(nèi)流動沸騰。圖１－２是均勻加熱的垂直逡逑管道內(nèi)，流動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：2642046