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汽油机水套内过冷沸腾传热的影响因素分析及模拟计算

王冠雄  
【摘要】:目前,发动机向着小型化、高动力、高转速的方向发展,发动机及其零件的热负荷越来越高。在这样的发展趋势下,发动机对冷却系统的要求也越来越高,不仅要求更高的传热效率,还需要更小的体积。在这样的背景下,对流传热的传热能力已经达不到预期要求,过冷核沸腾传热因为其高效的传热能力被人们重新列入研究方向。但是,过冷核沸腾传热的影响因素和作用规律尚不明确,亟待研究。在机理不明的情况下,过冷沸腾易失去控制,过度沸腾产生的气泡可能会将发动机中狭长的水道堵塞,造成传热恶化。本文就影响因素和作用规律进行研究,然后在发动机模型上进行模拟计算和验证。 为了研究发动机水套内沸腾传热的影响因素及作用规律,本文首先进行了简单流道的模拟计算和分析,通过与经典实验数据的对比分析,验证了两相流沸腾传热的计算模型,并在此基础上对影响因素的作用进行分析及总结。最后以某四缸增压汽油机作为研究对象进行相变传热模拟计算,并对比分析了计算结果与实验数据。 沸腾传热模拟计算模型的应用与验证。以简单矩形流道为计算对象,使用CFD软件FLUENT对矩形流道进行了数值分析,考察了沸腾模型的准确性。计算结果与实验对比,发现沸腾模型在低温加热段(397K以下)的曲线数据吻合良好,可以应用与沸腾传热的模拟计算。 为了考察沸腾传热影响因素作用及规律,通过改变入口流速、压力、物性参数等因素来分析计算结果的差异性,并总结变化规律和特征,在后续的模拟计算中忽略次要因素,以减小计算强度,保证计算精度。为了考察振动因素的影响作用,利用FLUENT软件UDF功能,编写传热壁面振动边界条件,分析了振动方向、振动频率和振幅对沸腾传热的影响。通过对振动影响效果的分析,判定了对沸腾传热影响最大的振动方向、频率和振幅,提高了发动机沸腾传热的精度。 进行发动机温度测试台架试验。对发动机机体、缸盖进行了测温点的设计和布置,然后对孔洞进行密封。发动机试验在外特性和负荷特性两种工况下进行。通过比较测点温度和发动机温度三维模拟计算结果,分析得出了发动机容易发生沸腾的工况和可能发生沸腾传热的部位。利用该试验的数据,可以在水套相变传热模拟计算时,为网格局部加密的位置提供了指示,同时可以对模拟计算结果进行评价和分析。 利用网格划分软件ANSYS ICEM首先对发动机几何模型进行了网格划分。为了保证计算精度,根据温度测试实验结果,对相变传热的关键位置进行了网格加密。将网格导入FLUENT软件中,使用耦合的方法对固-液交界面进行处理,然后对模型施加传热边界条件,然后两相流沸腾传热的求解。计算结果表明该发动机的冷却系统布置合理,考虑核态沸腾传热的数值模拟结果更加接近发动机实验测量温度值。


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