微纳结构表面强化内燃机冷却水腔沸腾换热基础实验研究

【摘要】：内燃机冷却水腔采用冷却介质散热方式带走燃烧室产生的热量,以确保燃烧室部件的热强度。随着内燃机的不断强化,导致燃烧室部件将承受更高的热负荷,进一步强化冷却水腔换热势在必行。传统对流换热方式已经无法满足冷却水腔的换热要求,而沸腾换热方式因具有温差小和换热量大的特点受到国内外学者关注。对于传统冷却水腔的光表面,通过表面结构尺寸微纳化,表面沸腾换热效率将进一步提升。但微纳结构强化表面沸腾换热特性及物理机理还不清晰,为此,本文采用池沸腾换热实验方式,对微纳结构强化池沸腾换热效果进行研究。利用可视化实验,开展了在不同热流密度下微纳结构对气泡动力学影响的研究,以达到揭示微纳结构强化沸腾换热的物理机制目的,为微纳结构表面在内燃机冷却水腔中的实际应用奠定基础。论文主要工作包含三个方面:1)微纳结构表面制备与表征。本文制备了三种不同尺度微纳结构表面:(1)采用UV-LIGA(深层光刻-电铸)工艺,制造了大槽和小槽阵列排布的微米协同结构表面。小槽的槽宽为100μm,大槽的槽宽400μm,肋宽为100μm,连接槽的槽宽为200μm,槽深统一为250μm,表面接触角为129o;(2)采用化学电镀方式制备了纳米结构表面,利用电镜扫描方式对其表面形貌进行了观察,其结构尺寸约为200nm,表面接触角为109o;(3)利用UV-LIGA工艺和化学电镀复合方式制备了微纳结构表面,即在微米结构表面上附着纳米结构,该结构的表面接触角为139o。2)可更换测试表面的池沸腾换热和可视化实验台设计。针对于内燃机冷却水腔表面过热度(0~50℃)和热流密度范围,建立了一套池沸腾换热和可视化实验系统。本实验系统采用螺栓夹紧装置,使得测试表面与加热块紧密接触,且表面可随意拆换。利用上述实验系统对微纳结构表面池沸腾换热曲线和气泡动力学行为进行了测量和拍摄。3)微纳结构表面池沸腾换热和可视化实验研究。对本文第二章制备的三种微纳尺度结构表面开展池沸腾换热和气泡动力学行为观测。结果表明:微米协同结构表面相比于光表面在过热度为20℃时,沸腾换热系数增加了65%,因为微米协同结构表面存在毛细力,使得液体快速回流至加热表面,达到了强化沸腾的效果;纳米结构表面相比于光表面在过热度为10℃时,沸腾换热系数增加了50%,因为纳米结构具有更多纳米凹坑,增加了汽化核心数目,降低了表面初始沸腾过热度,强化了沸腾换热;微纳结构表面相比于光表面在过热度为15℃时,沸腾换热系数增加了90%,因为微纳结构结合了微米协同结构和纳米结构的特点,进一步强化了沸腾换热。