发动机缸盖水腔过冷沸腾传热实验与数值模型研究

摘要

随着人们及社会对内燃机动力性和排放要求不断提高，以及涡轮增压技术、高压共轨技术、高精度电控技术等广泛应用，促使现代发动机功率密度和爆发压力被不断提升，进一步导致发动机缸盖的热负荷水平大幅增加。近年来，合理运用高温沸腾冷却技术实现局部高效换热、提高冷却系统的整体效率和保障发动机正常运行，已成为新一代冷却系统设计发展趋势。然而，沸腾是一种极其复杂的相变传热现象，人们对发动机水腔沸腾传热的认识远不如单相对流换热。此外，过度地放纵沸腾发展可能导致沸腾形式突变或汽泡聚集甚至部件烧毁。因此，亟需对缸盖冷却水腔内流动过冷沸腾展开实验和数值模型研究工作，以便能够提前对水腔沸腾状况做出准确预测和评估。
　　以实际发动机为研究对象，对缸盖关键部位进行不同冷却条件下温度测量以及实时运行状态下水腔壁面传热特性试验。研究表明：在低冷却水温度范围内，提高冷却水温度导致缸盖各测点温度呈现一致性增加；而在高冷却水温度范围时，提高冷却水温度对缸盖测点温度影响较小，且高温区变化幅度明显小于低温区；提高冷却系统压力，缸盖温度呈现整体升高趋势，尤其在高负荷工况表现得更加明显；在大扭矩高负荷工作条件时，水腔壁面温度与壁面换热量的曲线已不再是线性关系，壁面换热效率随壁面温度的增加而提高。系列试验结果间接证明，在发动机缸盖冷却水腔局部区域，存在着不同程度的沸腾传热现象。
　　以缸盖铸铁为加热材料，采用高频感应底部加热方式，专门设计和搭建了一套用于模拟不同流动条件下的沸腾换热实验装置。实验过程对不同流速、不同入口温度和不同系统压力状况下的沸腾传热特性做了详细的测试研究，发现沸腾起始点位置与通道流动参数有着直接关系，速度越高、入口温度越低，沸腾起始壁面过热度越高；提高通道速度和降低冷却水入口温度可以强化壁面对流换热，但对充分发展沸腾传热特性影响不大；增加系统压力，影响沸腾起始壁面温度，是抑制沸腾过度发展的重要手段。此外，对沸腾发展过程进行可视化观测研究，发现单个汽泡正常生长曲线包含不同的阶段，且在相同流动条件和加热功率下不同汽化核心位置所产生的汽泡生长曲线差异明显；随着加热功率逐步增加，汽泡运行形式变得更为复杂多变，夹杂着汽泡合并和分裂等汽泡行为；汽泡尺寸的概率分布曲线增长趋于平缓，汽泡尺寸分布范围更加宽广。
　　基于当前传热特性实验数据，使用Chen叠加、Franz渐进和Shah分区三种现有经典沸腾传热经验式计算误差较大。为了准确地预测发动机冷却水腔内的换热形式与换热强度，基于 Franz模型提出一种新的修正渐进模型，该模型与360组实验数据对比平均计算误差为6.47％，与原始关联式相比其计算精度有大幅提高。采用壁面函数法换热系数替换新改进数学模型中的对流项，建立了能够适应于复杂几何的单相沸腾传热模型，验证计算表明新模型在广泛的工况范围内能够准确地预测沸腾传热量与壁面温度的传热关系。最终，新模型被嵌入发动机缸盖三维多场耦合传热系统中，并实现不同冷却条件下缸盖冷却水腔内沸腾传热状况的有效预测。
　　以欧拉双流体两相流模型为计算框架，通过用户自定义功能，修正低压环境下的汽泡脱离直径、汽泡尺寸大小以及相间动量交换系数等，将其与局部流动参数进行关联进而建立新的适应于复杂无规则通道内、低压系统下的沸腾两相流数值模型。两组不同通道截面、不同流动方向、不同热流密度、不同流动速度和不同系统压力条件下的实验数据，被用来验证新模型适应性和预测能力，结果表明新两相流模型能够较为准确地预测规则通道内气相体积分布状况。最后，数值模型被应用于实际发动机冷却水腔中，完成沸腾两相流仿真分析。计算结果显示，在靠近火力面和排气道侧的水腔内存在蒸汽泡聚集现象，特别是在排气道上层水腔位置处，由于冷却水流动停滞形成死水区，造成大片高气相体积分数区域，给缸盖水腔壁面换热带来潜在的风险。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究意义与目的

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究内容

2 发动机缸盖测温及水腔传热特性实验

2.1 发动机缸盖测温实验装置及方案

2.2 缸盖测温及传热特性实验结果分析

2.3 本章小结

3 缸盖模拟冷却通道沸腾实验装置及实验方法

3.1 实验装置

3.2 实验方法

3.3 实验参数测量处理及误差分析

3.4 本章小结

4 缸盖冷却通道内过冷沸腾传热实验与单相沸腾模型建立

4.1 单相对流换热实验

4.2 过冷流动沸腾发展过程

4.3 不同流动条件下过冷沸腾传热特性实验

4.4 单相流过冷沸腾CFD传热模型的建立

4.5 本章小结

5 模拟通道内过冷沸腾两相流可视化实验及数值模型的建立

5.1 模拟通道内过冷沸腾中汽泡演变及可视化观测实验

5.2 基于双流体方程建立两相流沸腾模型

5.3 两相流沸腾模型在规则通道内的验证

5.4 本章小结

6 基于沸腾模型的气缸盖多场耦合数值模拟分析

6.1 三维气固液多场耦合传热仿真系统的建立

6.2单相沸腾多场耦合传热计算结果验证与分析

6.3发动机缸盖冷却水腔沸腾两相流特性分析

6.4本章小结

7 全文工作总结及今后工作展望

7.1 全文工作总结

7.2 今后工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的第一作者主要论文及专利

附录2 攻读博士学位期间参与的主要科研项目