柴油机冷却流道内沸腾换热两相流模型研究

摘要

本文以简化矩形通道和某型增压柴油机为基础，进行冷却流道内沸腾换热两相流模型的研究。基于K Robinson矩形通道试验装置，分析不同冷却液流速、冷却液温度、加热壁面温度以及系统工作压力对沸腾换热过程的影响，同时比较不同的沸腾换热模型仿真计算结果与试验测量结果间的误差。搭建增压柴油机缸盖温度场试验平台，通过布置硬度塞测点，测量标定工况下缸盖关键位置的温度值。基于计算流体力学软件，使用流固耦合的方式，计算柴油机冷却系统内沸腾换热模型仿真计算结果与试验测量结果的误差，并分析柴油机缸盖温度场、冷却液流场、两相流分布情况等。主要内容和主要结论概括如下： （1）研究沸腾换热两相流模型，通常从两相流模型和壁面沸腾换热模型出发，比较三种常用的沸腾换热两相流模型的适用范围、计算精度以及网格类型，模型分别为：Mixture 模型结合叠加类方法；VOF 模型结合叠加类方法；Euler模型结合机理类方法。综合考虑模型的计算精度和时间成本，选择VOF两相流模型结合叠加类方法构建沸腾换热两相流模型。在简化矩形通道中，研究沸腾换热两相流模型和沸腾换热单相流模型的数值计算精度；在柴油机冷却系统内，研究沸腾换热两相流模型和对流换热模型，考虑沸腾过程对缸盖温度场影响。 （2）以K Robinson矩形通道试验装置为基础，按照1：1的比例构建简化矩形通道模型，通过网格无关性研究，选取10 × 16 × 241网格方案。计算方案的加热面温度范围为90℃~160℃，冷却液入口流速分别为0.25 m/s、0.5 m/s和1 m/s，冷却系统工作压力为分别为0.1 Mpa、0.2 MPa和0.3 MPa，每种方案分别使用沸腾换热两相流模型与沸腾换热单相流模型进行计算。冷却液入口温度为85℃、90℃和 95℃来探究过冷度与沸腾换热的关系，矩形通道数值计算总方案数为200组。结果表明，加热壁面温度越高，冷却液入口流速越大，冷却液入口温度越低，系统工作压力越小，计算得到的壁面平均热流密度越大。两种模型计算结果与K Robinson试验测量结果变化趋势一致，沸腾换热两相流模型仿真计算结果和试验结果误差在10%左右，沸腾换热单相流模型仿真计算结果和试验结果误差超过30%。考虑VOF两相流模型能够提高模型数值计算结果的精度，气相体积分数云图能够反映通道内气液两相流分布情况。 （3）基于某型四缸增压柴油机，根据实际运行过程中热量传递方式，在缸盖火力面热负荷较高的区域选取了20个硬度塞测点，测量标定工况下柴油机缸盖火力面的温度值。从第一缸到第四缸每一缸火力面最高温度分别为：562 K、561 K、580 K和574 K，第三缸和第四缸大部分测点温度高于第一缸和第二缸。2号、9号和20号测点位于相同的特征位置，测点温度值分别为555 K、555 K和514 K，第20号测点比其他气缸对应位置的测点温度低了41 K，考虑试验误差和数据合理性，决定剔除20号测点。同一气缸火力面，排气门间的“鼻梁区”测点温度最高，排气门与进气门间的“鼻梁区”测点温度次之，进气门间“鼻梁区”测点温度最低。 （4）构建柴油机冷却系统的几何模型和网格模型，通过流固耦合方法实现流体域和固体域之间的数据传递，在柴油机冷却系统内使用沸腾换热两相流模型和对流换热模型进行数值计算。冷却系统内液体最大流速为12.7 m/s，进水侧的流线比背水侧流线密集，缸盖“鼻梁区”局部最低流速只有0.38 m/s。沸腾换热两相流模型和对流换热模型计算结果表明，缸盖水腔壁面最高温度分别为419 K和429 K，缸盖火力面最高温度分别为577.4 K和584.4 K，考虑沸腾过程能够有效的降低缸盖关键位置处的温度。对流换热模型计算值和试验值最大误差为5.32%，平均误差为 2.54%，沸腾换热两相流模型计算值和试验值最大误差为3.83%，平均误差为 1.75%。第三缸和第四缸的“鼻梁区”汽泡沿着，靠近火力面一侧的进排气道轮廓分布，最大的气相体积分数为0.18，第一缸和第二缸进气道外侧气相体积分数达到 0.11。对流换热模型最大壁面热流密度为 8.3×105 W/m2，沸腾换热两相流模型最大壁面热流密度为9.3×105 W/m2。

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ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 沸腾换热的基础理论研究

1.2.1 池沸腾换热研究

1.2.2 流动沸腾换热研究

1.3 内燃机沸腾换热的研究现状

1.3.1 沸腾换热物理试验研究

1.3.2 沸腾换热数值计算研究

1.4 主要研究内容

第二章 沸腾换热两相流模型的建立

2.1 两相流模型

2.1.1 VOF模型

2.1.2 Mixture模型

2.1.3 Euler模型

2.2 沸腾换热模型

2.2.1 叠加类方法

2.2.2 分区描述方法

2.2.3 机理类方法

2.3 其他模型

2.3.1 湍流模型

2.3.2 蒸发冷凝模型

2.4 沸腾换热两相流模型

2.5本章小结

第三章 矩形通道内沸腾换热模型计算

3.1 K Robinson矩形通道试验装置

3.2 矩形通道几何模型的构建

3.3 矩形通道网格无关性的研究

3.4 数值计算方案的确定

3.5 数值计算结果的分析

3.5.1 两种模型对计算的影响

3.5.2 入口流速对换热的影响

3.5.3 加热面温度对换热影响

3.5.4 系统压力对换热的影响

3.5.5 入口温度对换热的影响

3.5.6 气液两相流分布的规律

3.6 本章小结

第四章 柴油机缸盖温度场试验

4.1 缸盖温度场试验目的

4.2 温度场试验主要测量方法

4.2.1 热电偶法

4.2.2 硬度塞法

4.2.3 两种测温方式比较

4.3 温度场试验主要器材

4.4 柴油机缸盖测点布置

4.5 柴油机缸盖温度场试验

4.5.1 柴油机试验运行工况

4.5.2 温度场试验步骤和要求

4.6 试验测量结果的分析

4.7 本章小结

第五章 柴油机冷却通道内沸腾换热过程计算

5.1 柴油机几何模型

5.2 柴油机网格模型

5.2.1 气缸盖固体域网格

5.2.2 冷却系统流体域网格

5.3 数值计算边界条件的设定

5.4 流固耦合方法的确定

5.5 数值计算结果的分析

5.5.1 流场分析和讨论

5.5.2 温度场分析和讨论

5.5.3 气液两相流分析和讨论

5.5.4 缸盖热流密度分析和讨论

5.6 本章小结

第六章 工作总结和展望

6.1 全文工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

硕士期间学术论文发表