氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體對氫發(fā)動機散熱影響研究

羅亞萍， 邱兆文(長安大學(xué) 汽車學(xué)院， 陜西 西安 710064)

0 引言

與傳統(tǒng)燃料內(nèi)燃機相比，氫內(nèi)燃機以其清潔、高效等優(yōu)勢備受關(guān)注[1]，僅有的排放污染物NOx也通過多種手段予以降低[2]，然而目前也面臨許多技術(shù)性問題,如早燃、爆燃、回火等異常燃燒的現(xiàn)象[3].研制高導(dǎo)熱率、換熱性能好的冷卻介質(zhì)對提高氫內(nèi)燃機的工作性能具有十分重要的意義.

近年來，納米流體這種新型傳熱工質(zhì)由于其較好的物理性能(較低的表面張力、比基液略高的黏度、顯著增加的熱導(dǎo)率等)、流變性能以及較強的對流換熱能力，受到眾多科學(xué)研究者的關(guān)注[4].Ma?ga等[5]將Al2O3水納米流體應(yīng)用到熱管中.李強等[6]將Cu-水納米流體應(yīng)用到航天器熱控系統(tǒng)中.基于納米流體的高導(dǎo)熱系數(shù)，Choi等[7]提出將納米流體作為車輛熱管理的新一代冷卻介質(zhì).Leong等[8]將Cu-乙二醇納米流體作為發(fā)動機的冷卻液，增強散熱器的傳熱.鄔勝偉等[9]測定了水基-碳納米管納米流體冷卻特性曲線，發(fā)現(xiàn)隨碳納米管含量的增加，納米流體最大冷卻速度逐漸增大.然而自從石墨烯這一新型材料被發(fā)現(xiàn)以來，由于其優(yōu)秀的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)高達5 300 W/(m·K)，優(yōu)于Cu、CuO、Al2O3、ZnO、SiC、金剛石以及碳納米管等其他常見納米粒子[10-12]，使得國內(nèi)外大量學(xué)者開始探究石墨烯納米流體.Ghozatloo等[13]制備了質(zhì)量分數(shù)為0.01%～0.05%的石墨烯-水納米流體.

石墨烯納米顆粒的添加大幅提升了基液的導(dǎo)熱性能,石墨烯為層片狀結(jié)構(gòu)，具有更大的比表面積，對過冷度抑制作用更強[14]，所以筆者嘗試將氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體作為氫內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中的傳熱工質(zhì)，并通過數(shù)值模擬方法研究該納米流體對內(nèi)燃機散熱性能的影響，從而提供一種能夠滿足更高熱負荷內(nèi)燃機冷卻要求的新型換熱介質(zhì).

1 納米流體熱物性模型的建立

1.1 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)理論模型

與純液體相比，納米流體的導(dǎo)熱性能得到大幅提升，原因可能為：一是納米顆粒的添加改變了液體的固有性質(zhì)，使液-液變成液-固兩相懸浮液，改變了納米流體內(nèi)部的能量傳遞方式，強化了能量的傳遞效率；二是在固液界面上，液體分子的排列比在液體中的排列更加規(guī)則，通過和晶體的熱行為類比，規(guī)則結(jié)構(gòu)可以增加導(dǎo)熱率；三是從微觀尺度來看，納米流體中的顆粒受到液體分子的作用力而作無規(guī)則運動，形成并促進了納米流體內(nèi)部的擾動，加速了納米流體內(nèi)部能量的傳輸.

針對添加納米粒子改變基液結(jié)構(gòu)這一觀點，Maxwell提出了適用于體積份額非常小的粒子懸浮液的均質(zhì)理論模型，在此模型中忽略了粒子與粒子、粒子與液體分子之間的相互作用.

(1)

式中：k表示導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；φ是納米顆粒體積分數(shù)；n、p、f分別表示納米流體、納米顆粒和基液.

而Chu給出了適用于石墨烯納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的計算模型(Chu Model)[15]，該模型考慮了石墨烯納米顆粒的長度、厚度、平面度和界面熱阻對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，其表達式為：

(2)

式中：η為石墨烯納米顆粒平面度；Rk為界面熱阻；L為粒子長度；t為粒子厚度.

1.2 納米流體比熱容、密度、黏度理論模型

針對納米流體密度的理論模型選擇下式作為氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體密度的計算模型：

ρn=(1-φ)ρf+φρp.

(3)

納米流體的比熱容的模型同密度模型原理相同：

(4)

關(guān)于黏度模型，當(dāng)粒子份額濃度超過0.02時，Einstein公式可能會低估納米流體的黏度，在粒子的體積分數(shù)不太高時(小于0.05)，Brinkman[16]將Einstein公式擴展，得到下列計算公式：

(5)

筆者運用上述物性公式(1)～(5)進行計算，得出不同濃度的氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體(乙二醇體積分數(shù)為10%)在溫度為363.15 K時所對應(yīng)的熱物性值，如表1所示.隨氧化石墨烯體積分數(shù)的增加，納米流體的密度逐漸增加，比熱容不斷減小，黏度逐漸增大，熱系數(shù)逐漸增大，與未添加氧化石墨烯納米粒子相比，氧化石墨烯體積分數(shù)為5%的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增加22.5%，具體變化趨勢見圖1.

表1 氧化石墨烯納米流體熱物性Tab.1 Thermal properties of graphene oxide nanofluids

圖1 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨氧化石墨烯體積分數(shù)變化圖Fig.1 The change for nanofluids′ thermal properties with the volume fraction of GO

2 內(nèi)燃機冷卻水套的三維數(shù)值模擬

筆者選用單缸59 kW柴油機改造的氫發(fā)動機進行研究，運用SolidWorks和AVL FIRE軟件對冷卻系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分和三維數(shù)值模擬，分別采用乙二醇體積分數(shù)為10%，氧化石墨烯體積分數(shù)為0、1%、2%、5%的納米流體作為傳熱介質(zhì)進行仿真計算，分析比較不同濃度的傳熱介質(zhì)的流動、傳熱情況以及對氫內(nèi)燃機散熱性能的影響.

2.1 實體模型的建立

建立如圖2所示的氫內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的三維幾何模型，其中冷卻水腔與氣缸蓋的幾何模型不僅結(jié)構(gòu)尺寸、形位關(guān)系準確完整，而且可實現(xiàn)二者的完全耦合.將缸蓋劃分為7個火力面區(qū)，如圖2(a)所示，對應(yīng)水腔內(nèi)側(cè)表面的11個selections均取均勻的壁面厚度，厚度值均列在表2中.

圖2 冷卻系統(tǒng)三維實體模型Fig.2 The 3D solid model of cooling system

具體建模過程中，在保證對數(shù)值計算結(jié)果不產(chǎn)生影響的前提下，可以對結(jié)構(gòu)進行適度簡化，但重要位置(如缸蓋冷卻腔“鼻梁”區(qū))不作任何處理.

表2 邊界厚度表Tab.2 Boundary thickness table

2.2 計算網(wǎng)格的劃分

冷卻水套的網(wǎng)格模型采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，且對局部區(qū)域(噴油器座、火力面和鼻梁區(qū))進行加密，以提高計算精度.將冷卻水腔頭部內(nèi)側(cè)體網(wǎng)格共劃分了26個selections，由于缸蓋區(qū)域溫度較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及考慮到求解器設(shè)置時邊界條件的設(shè)置需要，在缸蓋內(nèi)表面建立了對應(yīng)于各個火力面的selections，共16個，見圖3.

圖3 氫內(nèi)燃機水套網(wǎng)格模型Fig.3 Water jacket mesh model of hydrogen internal combustion engine

2.3 求解方法與邊界條件

均相流模型廣泛應(yīng)用于納米流體的模擬中且與實驗結(jié)果對比具有較高的精度[17]，故筆者采用均相流進行數(shù)值模擬.在模擬過程中，認為納米流體在水套內(nèi)的流動狀態(tài)是三維不可壓縮黏性的湍流運動，在高Re數(shù)流動區(qū)域即湍流充分發(fā)展區(qū)域，也即冷卻水套模型的中心區(qū)域，采用標(biāo)準k-ε模型，而在低Re數(shù)的貼近壁面的薄層中甚至呈現(xiàn)層流狀態(tài)，由于黏性作用大于湍流脈動的影響，所以運用標(biāo)準壁面函數(shù)和復(fù)合壁面函數(shù)來計算，并在求解過程中將壁面與湍流核心區(qū)的相應(yīng)變量聯(lián)系起來.壓力與速度的耦合求解利用SIMPLE算法處理；設(shè)置空間離散化時，壓力選用標(biāo)準方程(stander)，其余選用二階逆風(fēng)方程進行求解.

以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速為計算工況點，計算過程中設(shè)定速度(由進口流量1.02 kg/s換算)為入口邊界條件，入口溫度為363.15 K，出口采用1.12 MPa的壓力邊界.以缸蓋火力面各分區(qū)的表面對流傳熱系數(shù)和溫度作為第三類熱邊界條件[18]，見表3.

表3 火力面不同分區(qū)的第三類邊界條件Tab.3 Third boundary conditions for different zones of fire surface

3 CFD模擬計算及結(jié)果分析

3.1 納米流體速度場分析

圖4顯示了氣缸蓋的壁面速度場分布，由于缸蓋的形狀比較復(fù)雜，因此局部位置出現(xiàn)流速過低的情況，氣缸蓋的頂部靠近進水口的區(qū)域流速較高,同時缸蓋內(nèi)側(cè)比外側(cè)流速高.對比分析納米流體和純水，水套速度場的整體分布基本不變.

圖4 純水與氧化石墨烯納米流體氣缸蓋速度場Fig.4 Velocity field of cylinder head of water and graphene oxide nanofluids

3.2 納米流體換熱量分析

根據(jù)下式求解水腔整體熱流量，以此探究納米流體的導(dǎo)熱性能：

Q=CnAρnvΔT，

(6)

式中：A為進口面積，m2；v為進口流速，m/s；ΔT為進出口平均溫差.

比較分析氧化石墨烯體積分數(shù)為1%、2%、5%的納米流體以及純水的整體換熱總量，從圖5可以看出，隨著氧化石墨烯粒子含量的增加，納米流體的換熱性能隨之增強.與傳統(tǒng)介質(zhì)純水相比，以缸蓋為例，體積分數(shù)達到5%的氧化石墨烯納米流體的整體熱流量為9.917 kJ/s，較純水提高了12.6%.

圖5 氧化石墨烯體積分數(shù)不同的納米流體整體熱流量比較Fig.5 Comparison of overall heat flux of graphene oxide nanofluids with different volume fractions

3.3 納米流體壓力場分析

圖6 不同體積分數(shù)氧化石墨烯納米流體壓力場分布Fig.6 Pressure field distributions of graphene oxide nanofluids with different volume fractions

根據(jù)圖6結(jié)果顯示，從進口到出口，壓力逐漸降低.由于加入了氧化石墨烯納米粒子，納米流體的黏度和密度增大.一方面黏度的增加導(dǎo)致流動時的摩擦阻力變大，引起冷卻腔進出口間總壓降增大；另一方面在進口流量不變的情況下，隨著石墨烯納米流體密度的增大，進口流速不斷降低，進出口總壓降減小.在綜合作用下，壓降隨著納米粒子體積分數(shù)的增大而增大，結(jié)果如圖7所示.

圖7 冷卻腔進出口總壓降隨氧化石墨烯體積分數(shù)的變化Fig.7 The change of total pressure drop of the cooling chamber with the volume fractions of graphene oxide

傳熱工質(zhì)為純水時，水套進出口的總壓降為8 616 Pa；而以體積分數(shù)為5%的氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體作為冷卻液時，總壓降為9 250 Pa，較純水增加了7.4%.

4 結(jié)論

(1)通過對氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體熱物性變化規(guī)律的分析，氧化石墨烯的添加可使納米流體熱導(dǎo)率得到大幅提高.

(2)當(dāng)介質(zhì)為水和納米流體時，水套速度場的整體分布基本不變.

(3)在進口流速和溫度固定的情況下，隨著氧化石墨烯體積分數(shù)的增大，內(nèi)燃機的散熱性能不斷增強，冷卻水腔總熱流量逐漸增大.

(4)以氧化石墨烯-水和乙二醇混合基納米流體作為冷卻介質(zhì)引起水套進出口總壓降增大，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)水泵功率和負載的增加.