柴油機(jī)管路建模沸騰傳熱模型研究

高震　李果　羅青　王佩　童亞拉　安士杰

摘 要：目前柴油機(jī)缸蓋冷卻水腔壁面沸騰傳熱現(xiàn)象越來越受到重視，本文選用同一工況對典型單相液沸騰傳熱模型Chen模型重新標(biāo)定，對標(biāo)定的模型進(jìn)行了計(jì)算精度對比，計(jì)算分析了沸騰傳熱影響因素及其影響規(guī)律，應(yīng)用大容器淬火沸騰試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證，證明了模型的適用性。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)；沸騰傳熱模型；Chen模型。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳人文社科重點(diǎn)項(xiàng)目（16Q106）

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柴油機(jī)融合了電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)和智能制造等諸多高新技術(shù)，已成為融合多學(xué)科、多領(lǐng)域的高新技術(shù)產(chǎn)品。

1 柴油機(jī)管路建模技術(shù)背景

近年來，高強(qiáng)化柴油機(jī)的功率密度進(jìn)一步提高，熱負(fù)荷不斷增大，冷卻水腔中開始出現(xiàn)沸騰傳熱現(xiàn)象，對冷卻系統(tǒng)的影響重大。柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的獨(dú)立控制必須建立在大量理論計(jì)算和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，主要分為試驗(yàn)測量與仿真計(jì)算。對冷卻系統(tǒng)參數(shù)的測量可準(zhǔn)確得出系統(tǒng)局部流動參數(shù)，但無法獲得實(shí)際工作時(shí)整體流動與傳熱狀態(tài)；基于零部件局部溫度測點(diǎn)的測量可準(zhǔn)確得出實(shí)際運(yùn)行時(shí)的固體溫度參數(shù)，但無法獲得全局溫度場結(jié)果，且試驗(yàn)測量也受測點(diǎn)加工空間及加工水平的限制，周期較長，耗費(fèi)大量的人力物力，改變柴油機(jī)局部結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及CFD軟件的開發(fā)，使在試驗(yàn)測量基礎(chǔ)上的仿真計(jì)算是未來柴油機(jī)傳熱及冷卻系統(tǒng)研究的重要方向[1]。因此，本文深入研究柴油機(jī)管路建模技術(shù)中的沸騰傳熱建模，取得了一定進(jìn)展，為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。

2 沸騰傳熱模型發(fā)展現(xiàn)狀

沸騰傳熱模型是建立在簡單管道試驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過量綱分析和數(shù)據(jù)擬合形成關(guān)聯(lián)式，根據(jù)不同應(yīng)用對象，修正模型系數(shù)和指數(shù)，可分為線性疊加模型、漸進(jìn)模型和分區(qū)模型。

線性疊加模型將沸騰傳熱總傳熱量視為純對流傳熱和核沸騰傳熱量的線性疊加：

其中， 為純對流傳熱量， 為純核沸騰傳熱量， 為核態(tài)沸騰對對流傳熱的強(qiáng)化因子， 為對流傳熱對核沸騰傳熱的抑制因子。

漸進(jìn)模型是在線性疊加模型基礎(chǔ)上形成的非線性疊加法，它定義壁面總的傳熱量為單相對流傳熱量 與核態(tài)沸騰傳熱量的非線性疊加：

其中，指數(shù)m反映不同傳熱部分在總傳熱量中所占的比重。

以上兩種模型主要區(qū)別在于計(jì)算關(guān)聯(lián)式的標(biāo)定，而不同分區(qū)模型的區(qū)別在于所選用分區(qū)方法的不同及分區(qū)之后，在不同溫度區(qū)間不同計(jì)算關(guān)聯(lián)式的選擇[2]。

3 簡單管道單相流沸騰傳熱研究

目前，簡單管道的單相流沸騰傳熱模型均建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，有多種模型，本文只選擇Chen模型進(jìn)行標(biāo)定和計(jì)算。

3.1 Chen模型簡介

J.C.Chen基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為沸騰傳熱總傳熱量等于泡核沸騰與單相液對流傳熱的簡單線性疊加，利用對容積沸騰傳熱系數(shù)和單相對流傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，得出泡核流動沸騰的綜合熱流密度為：

式中， 為壁面總的傳熱量， 、 、 分別為壁面溫度、主流體冷卻液溫度和壁面層冷卻液局部的飽和溫度， 、 分別為單相對流傳熱系數(shù)和流動沸騰傳熱系數(shù)。

3.2 Chen模型的標(biāo)定和計(jì)算

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)工況的常用范圍為：出口壓力0.1MPa-0.25MPa，主流流體溫度范圍為60℃-95℃，流速范圍為0.34m/s-6m/s。本文選用此范圍內(nèi)的流動工況作為仿真工況，在簡單矩形管道內(nèi)的沸騰試驗(yàn)數(shù)據(jù)對Chen模型進(jìn)行標(biāo)定。左邊為冷卻水入口，右邊為冷卻水出口，管道水平放置，管道截面尺寸為26mm 14mm，加熱面大小為14mm false90mm，加熱塊選用純銅材料，在銅塊底部采用高頻電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱，管道除了與銅塊接觸的表面外，其它表面進(jìn)行了絕熱處理，對其進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分[4][5]。

3.3 變物性參數(shù)處理

為了模型計(jì)算準(zhǔn)確，將對沸騰傳熱量計(jì)算影響較大的物性參數(shù)一定工況范圍內(nèi)多次擬合，將模型計(jì)算過程中的物性參數(shù)作變物性處理，具體如下。

3.4 Chen模型的標(biāo)定

本文采用入口流速0.6m/s，出口壓力0.8bar，入口水溫80℃時(shí)的不同壁面加熱熱流密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對Chen模型的系數(shù)和指數(shù)進(jìn)行了重新標(biāo)定，最終的標(biāo)定結(jié)果為：

用標(biāo)定前后的模型分別計(jì)算入口流速0.4m/s，出口壓力0.6bar，入口水溫80℃，不同壁面加熱熱流密度時(shí)的工況，Chen模型的程序計(jì)算流程圖如圖3.4。將標(biāo)定前后此工況下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，分別如表3.3和表3.4所示。

上表可知，標(biāo)定前Chen模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，壁面溫度的平均誤差為6.236%，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均誤差為5.652%，而標(biāo)定后的Chen模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，壁面溫度的平均誤差為2.8006%，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均誤差為4.542%，表明重新標(biāo)定后，Chen模型的計(jì)算精度有了顯著提高。

4 結(jié)束語

本文采用簡單管道強(qiáng)制對流過冷沸騰傳熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用同一工況對CHEN模型的沸騰傳熱模型重新標(biāo)定，并對比了標(biāo)定前后模型計(jì)算精度。結(jié)果表明：分區(qū)模型由于采用了關(guān)于壁面溫度的分段擬合方法，在寬廣的溫度范圍內(nèi)均具有較高計(jì)算精度，研究形成了柴油機(jī)實(shí)際工況下完整的流動換熱計(jì)算模型，為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。

雖然對影響沸騰傳熱的三個(gè)因素進(jìn)行了分析，但沸騰傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，影響因素非常多，后期可以探索加工工藝、表面粗糙度、不同冷卻介質(zhì)等對沸騰傳熱的影響規(guī)律，以建立更加完整和精確的沸騰傳熱模型。

參考文獻(xiàn)

[1]李智.天然氣發(fā)動機(jī)氣缸蓋熱負(fù)荷及冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2]Helfried Steiner，Alexander Kobor，Ludwig Gebhard.A Wall Heat Transfer Model for Subcooled Boiling Flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2005（48）.

[3]Ramstorfer F， Stiner H，Brenn G.Subcooled Boiling Flow Heat Transfer from Plain and Enbanced Surface in Automotive Applications[J].Heat transfer，2008（130）： 011-501.

[4]朱東祥.內(nèi)燃機(jī)缸蓋冷卻通道沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[5]劉永豐，王龍飛，楊震寰，等.矩形通道內(nèi)過冷流動沸騰傳熱特性試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，23（1）： 10-15.

作者簡介

高震（1996-），男，漢，山西大同人，湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。