氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)散熱的影響規(guī)律研究

李丹丹，楊振中，張威，張孚，孫永生

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)散熱的影響規(guī)律研究

李丹丹，楊振中，張威，張孚，孫永生

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

針對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)機(jī)體熱負(fù)荷高的問(wèn)題，通過(guò)AVL FIRE數(shù)值模擬研究了不同氧化鋁粒子體積濃度下，氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)散熱的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在進(jìn)口質(zhì)流量、進(jìn)口溫度、出口靜壓一定的情況下，隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增大，納米流體的整體冷卻性能減弱；加入氧化鋁納米粒子后高溫區(qū)的熱流率都比基液的熱流率大，在氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)的高溫區(qū)的冷卻效果最好。

氧化鋁；納米流體；氫內(nèi)燃機(jī)；數(shù)值模擬；散熱性能

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-50-03

引言

雖然氫內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)勢(shì)已非常明顯，但氫內(nèi)燃機(jī)目前也面臨一些技術(shù)性的挑戰(zhàn)：早燃、回火、采用外部混合方式功率低、NOx 排量高等。高效穩(wěn)定的冷卻液對(duì)進(jìn)一步提高氫內(nèi)燃機(jī)的工作性能，響應(yīng)全球節(jié)能、減排的迫切需求，具有不可忽視的意義。

氧化鋁具有較高的熱導(dǎo)率并且與基液有良好的相容性，同時(shí)成本較低，是較為為理想的納米添加顆粒[1]。Pak和Cho[2]率先于1998年進(jìn)行了氧化鋁和二氧化鈦水基納米流體在不銹鋼細(xì)圓管內(nèi)的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)。Lai等人[3]選用了直徑僅為1mm的不銹鋼圓管進(jìn)行了氧化鋁水納米流體對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)。Jung等人[4]指出在所研究的正方形微通道中氧化鋁水納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)提高了32%。Ollivier[5]等人將氧化鋁水納米流體用于檢測(cè)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震時(shí)的溫度波動(dòng)信號(hào)。Vasu[6]等人則用換熱器效能-換熱單元數(shù)法（ε-NTU）對(duì)氧化鋁-水納米流體在緊湊式熱交換器模型中進(jìn)行了傳熱性能計(jì)算。

文章通過(guò)AVL FIRE數(shù)值模擬的方法探索氧化鋁粒子的體積濃度分別為0%、1%、2%、5%、7%時(shí)，氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)散熱的影響規(guī)律。進(jìn)一步探明納米流體強(qiáng)化傳熱現(xiàn)象，為內(nèi)燃機(jī)節(jié)能工作探索了新途徑。

表1 氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體物性參數(shù)

1、氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體的熱物性

在本文的研究中，基礎(chǔ)液體為乙二醇與水的混合液體，其中乙二醇的體積分?jǐn)?shù)φ為10% ，氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)分別取氧化鋁粒子的體積濃度分別為0%、1%、2%、5%、7%，并假設(shè)氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體為不可壓縮流體。表1中給出了對(duì)應(yīng)條件下，363K（90℃）溫度時(shí)，氧化鋁乙二醇和水混合基納米流體熱物性參數(shù)的值。

2、仿真計(jì)算模型

2.1 物理模型

本文采用的氫內(nèi)燃機(jī)冷卻水套模型是一個(gè)簡(jiǎn)化的單缸四氣門(mén)59kW柴油機(jī)改造的氫發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水套表面模型，在Solidworks中建成后以*.stl的格式輸出并導(dǎo)入AVL FIRE，利用AVL FIRE中的網(wǎng)格自動(dòng)生成模塊生成體網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 氫內(nèi)燃機(jī)冷卻水套的體網(wǎng)格模型

該體網(wǎng)格(a)共有811861個(gè)cell，網(wǎng)格質(zhì)量較好。在生成體網(wǎng)格前共劃分了23個(gè)區(qū)域，基于缸蓋區(qū)域溫度較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及考慮到求解器設(shè)置時(shí)邊界條件的設(shè)置需要，就在缸蓋內(nèi)表面建立了對(duì)應(yīng)于各個(gè)火力面的selectiion，共16個(gè)，見(jiàn)圖(b)。

2.2 初邊值條件

冷卻水進(jìn)口流體的溫度：90℃（36 3K）；進(jìn)口流量：2.0 kg/s。出口壓力：0.1Mpa；在除進(jìn)、出口以外，本文建立的其他selections在設(shè)定邊界條件中都采用了第三類(lèi)邊界條件（對(duì)流換熱邊界條件）。并且將第三類(lèi)邊界條件中的熱阻設(shè)為0。

表2 水腔整體溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)參數(shù)

圖2 水腔進(jìn)出口溫度與水腔熱流量隨氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的變化

2.3 熱流量與熱流率定義

水腔整體熱流量計(jì)算公式：

式中，Q為熱流量，J/s；CP為納米流體的熱容，J/(Kg·K)；qm為質(zhì)流量，Kg/s；△T為進(jìn)出口平均溫差，K。

高溫區(qū)熱流率計(jì)算公式：

式中，Q0為熱流率，J/(m2·s) ；V為高溫區(qū)流體的平均流速，m/s；ρ為流體的密度，Kg/m3。

3、結(jié)果分析

3.1 不同氧化鋁體積分?jǐn)?shù)下水腔整體計(jì)算結(jié)果分析

表2中可以看出，水腔整體平均溫度隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增大而升高，平均速度和平均壓力則逐漸減小。主要原因：隨著氧化鋁體積濃度的增加，納米流體的密度增大，而進(jìn)口質(zhì)流量不變使得納米流體的速度減?。槐葻崛葜饾u減小，熱導(dǎo)率逐漸增大，而納米流體的速度又逐漸減小，使得納米流體的溫度升高；粘度逐漸增大，使其流動(dòng)阻力逐漸增大，壓力損耗增大，而納米流體速度減小又使得納米流體的流動(dòng)阻力減小，壓力損耗減小，再加上出口靜壓不變，在后一因素影響較大的情況下，納米流體的平均壓力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

從圖2中可以看出，隨著氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增大水腔進(jìn)出口溫差逐漸增大，而進(jìn)口溫度為363K，保持不變，所以出口溫度逐漸升高；同時(shí)水腔整體的熱流量逐漸減??；從整體冷卻性能來(lái)看，在進(jìn)口質(zhì)流量和進(jìn)口溫度一定的情況下，隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增大，納米流體的整體冷卻性能減弱。在氧化鋁體積分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，納米流體的熱流量相比基液減少了2.4%。

3.2 不同氧化鋁體積分?jǐn)?shù)下水腔高溫區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

表3 水腔近排氣管道壁面平均溫度、平均速度以及熱流率對(duì)比

表3中顯示，高溫區(qū)平均溫度隨氧化鋁納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而升高；平均速度速度隨之減??；氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)在0%～1%時(shí)，熱流率隨氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，而當(dāng)氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)在1%以上是有體現(xiàn)減小的趨勢(shì)；加入氧化鋁納米粒子后高溫區(qū)的熱流率都比基液的熱流率大，在氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，高溫區(qū)的熱流率相比基液提高了9.33% ；氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)在1%左右時(shí)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)的高溫區(qū)的冷卻效果最好。

4、結(jié)論

(1) 水腔整體平均溫度隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增大而升高，平均速度和平均壓力則逐漸減小。從整體冷卻性能來(lái)看，在進(jìn)口質(zhì)流量和進(jìn)口溫度一定的情況下，隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增大，納米流體的整體冷卻性能減弱。在氧化鋁體積分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，納米流體的熱流量相比基液減少了2.4%。

(2) 高溫區(qū)平均溫度隨氧化鋁納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而升高；平均速度速度隨之減??；加入氧化鋁納米粒子后高溫區(qū)的熱流率都比基液的熱流率大；氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)在1%左右時(shí)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)的高溫區(qū)的冷卻效果最好。

[1] 鐘勛.氧化鋁納米流體在發(fā)動(dòng)機(jī)油冷器中的強(qiáng)化傳熱研究[D].浙江:浙江大學(xué),2010.

[2] Pak B C, Cho YI. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submic-ron metallic oxide particle [J].Experimental Heat Transfer,1998,11: 151-170.

[3] Lai W Y, Duculescu B, Phelan P E, et al. Convective heat transfer with nanofluids in a single 1.02mm tube[C].Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congre-ss and Exposition (IMECE 2006), Chicago, USA, 2006.

[4] Jung J Y, Oh H S, Kwak H Y. Forced con-vective heat transfer of nannofluid in microch-annels[C]. Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Expo-sition(IMECE 2006), Chicago, USA, 2006.

[5] Ollivier E, Bellettre J, Tazerout M, et al. Detection of knock occurrence in a gas SI engine from a heat transfer analysis[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47:879-893.

[6] Vasu V, Krishna K R, Kumar A C S. Ther-mal design analysis of compact heat exchan-ger using nanofluids[J]. International Journal of Nanomanufacturing, 2008, 2(3): 271-288.

Study on the Influence of Alumina-Ethylene Glycol-Water Nanofluid on the Cooling of HICE

Li Dandan, Yang Zhenzhong, Zhang Wei, Zhang Fu, Sun Yongsheng
( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

A Aiming at the problem of high heat load of HICE. This paper mainly to research the impact on the cooling of HICE when the alumina-ethylene glycol-water nanofluid was under different alumina volume fractions. Results show that when the mass flow of inlet, the inlet temperature and the outlet static pressure is certain, the cooling performance of the nanofluids is overall weakened as the volume fraction of the alumina increases. After adding alumina nanoparticles, the heat flux in high temperature regions is larger than the base fluid. When the volume fraction of alumina nanoparticles is about 1%, the hydrogen internal combustion engine cooling effect in high temperature regions is the best.

aluminum oxide; nanofluid; hydrogen internal combustion engine; numerical simulation; cooling capability

U464

A

A1671-7988(2017)01-50-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.019

李丹丹（1989-），女，碩士研究生；讀于華北水利水電大學(xué)。主要從事清潔能源車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。