内燃机缸盖沸腾传热两相流模拟研究

摘要

随着缸内直喷和增压技术的发展，如何解决强化、增压内燃机的热负荷问题显得越来越重要。在水冷内燃机冷却系统中实际存在着不同类型的传热:冷却水腔中大部分区域的壁面温度较低，传热以对流传热为主;在缸盖火力面与排气道周围的高温区域，传热以沸腾传热为主。冷却水腔内核态沸腾传热的存在有利于提高热关键区域的局部传热能力，降低水腔壁面的过热度，从而减小受热零部件的工作温度，然而内燃机采用核态沸腾面临着两个潜在风险:沸腾气泡可能堵塞流道;沸腾传热如果控制不良很容易使核态沸腾恶化为膜态沸腾，导致内燃机缸盖热负荷的急剧增大。本文采用欧拉两相流沸腾传热模型分别对不同冷却方式的内燃机鼻梁区冷却水腔简化模型、某款四缸增压中冷柴油机气缸盖水腔内的流动和沸腾传热展开研究。主要内容如下:
　　(1)基于欧拉两相流沸腾模型对内燃机缸盖传热过程进行一维计算，初步探索各子模型对过热壁面总热流密度的影响，及对流项热流密度、激冷项热流密度、蒸发项热流密度与壁面过热度之间的关系，为鼻梁区简化模型的计算提供参考;
　　(2)针对水冷内燃机的不同冷却类型，分别建立了简化模型模拟其鼻梁区水腔内的沸腾传热。对气泡脱离直径、对流项热流密度占总热流密度的比率、激冷项热流密度占总热流密度的比率、气泡等待时间系数和壁面过热度之间的关系展开研究，并对气泡等待时间系数进行了合理的修正。
　　(3)建立了缸盖几何模型，然后分别对固体计算域和流体计算域进行网格离散，同时保证流—固交界面网格节点的一致性。利用AVL Boost软件对该款柴油机进行了一维稳态工作过程的仿真分析，得到了较为准确的缸内等效燃气温度和平均传热系数，然后对缸盖火力面进行分区处理，确定各分区的燃气温度和传热系数。加载流动边界条件和其它热边界条件，采用流—固直接耦合法对该模型进行标定工况下的稳态传热计算。
　　(4)分别进行了考虑沸腾传热和不考虑沸腾传热的计算。对比分析表明:在各缸喷油嘴座与缸盖火力面及进排气门座之间的鼻梁区等高热负荷区域，存在不等程度的沸腾。相较于不考虑沸腾传热计算结果，由于气泡运动（成核生长、脱离过热壁面、消失于冷却水主流区）的扰动作用，冷却水的局部流速最高可达7.43 m/s，强化了冷却传热，流—固交界面热流密度增大了40.22％。由于沸腾气泡对周围冷却流体的扰动作用，冷却水的流动湍动能也随之增大，峰值达到8.66m2/s2。缸盖水腔内部核态沸腾有效地降低缸盖温度，峰值由565.5K降低为561.6K，降低了缸盖鼻梁区等高热负荷部位的热应力，降低其疲劳损坏。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 沸腾传热的国内外发展和研究现状

1．2．1 沸腾传热的国外发展和研究现状

1．2．2 沸腾传热的国内发展和研究现状

1．3 本文主要内容

第二章 两相流沸腾传热数值计算的基础理论

2．1 计算流体力学概述

2．2 流体力学控制方程

2．2．1 连续性方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 能量方程

2．2．4 湍流模型

2．3 多相流研究方法

2．4 欧拉两相流沸腾传热模型

2．4．1 壁面热流密度

2．4．2 气泡脱离直径

2．4．3 气泡成核密度及脱离频率

2．4．4 相间热量传递

2．4．5 相间相互作用力模型

第三章 缸盖水腔鼻梁区简化模型的沸腾传热模拟研究

3．1 欧拉两相流沸腾传热一维计算分析

3．1．1 MATLAB软件简介

3．1．2 基于MATLAB的欧拉两相流沸腾传热一维计算

3．2 蒸发式冷却水腔鼻梁区简化模型沸腾传热模拟分析

3．2．1 简化模型的建立及边界条件

3．2．2 计算结果分析

3．3 强迫循环式冷却水腔鼻梁区简化模型沸腾传热模拟分析

3．3．1 简化模型的建立及边界条件

3．3．2 气泡等待时间系数的修正

3．3．3 欧拉两相流沸腾传热模型的计算精度

3．4 本章小结

第四章 考虑沸腾传热的缸盖流—固耦合数值模拟研究

4．1 研究机型的主要技术参数

4．2 柴油机工作过程数值模拟

4．2．1 基于AVL Boost软件的内燃机工作过程仿真概述

4．2．2 柴油机仿真模型的建立及试验验证

4．3 几何模型的建立

4．4 边界条件

4．4．1 流动边界条件

4．4．2 热边界条件

4．4．3 流—固耦合边界处理

4．5 材料属性

4．6 划分计算网格

4．6．1 网格的类型

4．6．2 划分网格的原则

4．6．3 划分流—固耦合计算网格

4．7 求解条件

4．8 本章小结

第五章 沸腾传热对缸盖流——固耦合计算的影响研究

5．1 不考虑沸腾传热的仿真计算

5．1．1 流体域计算结果分析

5．1．2 流—固交界面计算结果分析

5．1．3 固体域计算结果分析

5．2 考虑沸腾传热的计算结果分析

5．2．1 沸腾对流体域计算结果的影响

5．2．2 沸腾对流—固交界面计算结果的影响

5．2．3 沸腾对固体域计算结果的影响

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文