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基于气泡行为的缸盖沸腾冷却应用研究

张体恩  
【摘要】:沸腾冷却具有传热效率高、冷却系统体积小等优势,将其应用于缸盖冷却水腔可以有效解决缸盖热负荷高的难题,满足现代高强化发动机的设计要求。针对缸盖沸腾冷却应用存在的诸多问题,本文从气泡行为角度出发,利用实验研究、理论分析、数值模拟等手段对缸盖沸腾冷却机理与应用进行了深入研究,主要研究内容如下: 针对缸盖沸腾传热特点,搭建了用于观测气泡行为的沸腾传热实验平台。通过实验研究,建立了气泡等待周期与脱离频率及表面热流间的实验关联式、验证了气泡脱离直径预测模型的预测精度。通过气泡行为的可视化观察以及热流等参数的测量研究,从气泡行为角度阐述了沸腾传热的机理、解释了沸腾传热规律变化的内在原因:沸腾各个阶段传热状态是沸腾气泡脱离行为诱发的“表面淬火”效应及气泡附着生长行为诱发的“热流阻隔”效应综合作用的结果。 对气泡消失、气泡聚合、鼻梁区冷却设计要求进行了深入研究,并据此提出了缸盖沸腾应用可行域及控制策略。基于实验观测到的沸腾气泡表面变形规律,建立了更为精确的气泡消失数学模型;考虑鼻梁区特殊受热状态及结构特点,从沸腾换热效率及气泡能在缸盖内快速消失的角度,研究确定了沸腾控制上限为气泡排除控制线:StControl=89×Pe-0.74,进而明确了有效利用沸腾冷却的可行域,即沸腾起始线与沸腾控制上限之间的区域,并据此建立了缸盖鼻梁区沸腾冷却参数强化设计流程。 对缸盖沸腾压力波动监测信号进行了实验研究,比较了部分发展沸腾状态、充分发展沸腾状态、危险沸腾状态下的压力波动信号差异,得到危险沸腾状态下的压力信号呈脉动大且信号极不规则的特征;分析了沸腾压力波动信号与气泡行为之间的关系,得到压力频谱信号中最大功率谱密度对应频率与气泡簇行为频率一致,均低于300Hz;据此从两传感器平均互相关系数及频域信号角度提出了两种危险沸腾状态的压力信号甄别方法:1)20-500Hz频段内两传感器的平均互相关系数小于0.82;2)400-500Hz频段内的最大功率谱密度值大于2×10-3(kPa)2/Hz。 由于气泡脱离直径、沸腾相变条件会随着沸腾状态的改变而发生变化,而利用欧拉多相流计算模型计算沸腾状态需要气泡平均直径和沸腾相变判定条件;本文在气泡脱离直径、沸腾相变条件与沸腾状态关系以及气泡平均直径与气泡脱离直径关系研究的基础上,建立了考虑气泡影响的多相流数值模拟迭代计算方法。并利用实验数据对多相流数值模拟迭代计算方法的计算精度进行了校核。 结合前面研究成果,建立了缸盖沸腾换热设计流程,并以1015为原型机,完成了针对沸腾冷却应用的冷却参数重新设计:基于缸盖反向冷却方式,冷却入口温度确定为91℃,入口流速确定为2m/s。与原型机相比,重新设计的缸盖温度场分布更加均匀,最高温度降低了7K,最低温度升高了4.5K,而流量降低了约40%。


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