鄭 偉 張振東

1.上海理工大學(xué)，上海，200093 2.溫州大學(xué)，溫州，325035

0 引言

面對(duì)局部散熱密度日益提高的柴油機(jī)，開發(fā)高效準(zhǔn)確冷卻技術(shù)成為研究重點(diǎn)，采用新型冷卻液成為解決上述問題的突破點(diǎn)之一［1－2］。根據(jù)文獻(xiàn)［3－5］的描述，在傳統(tǒng)車用冷卻液中加入金屬納米粒子組成納米流冷卻液，可有效增大冷卻液的傳熱系數(shù)，為研究更加緊湊的散熱器提供了可行性，但該冷卻液對(duì)解決類似于柴油機(jī)缸蓋等局部熱密度高的作用效果有限。另外，由于射流技術(shù)能在局部產(chǎn)生極大的傳熱系數(shù)，被認(rèn)為是解決未來局部高熱密度問題的優(yōu)選技術(shù)之一［6］。故本文將兩種技術(shù)融合應(yīng)用到柴油機(jī)缸蓋局部散熱實(shí)驗(yàn)中，探索射流條件下采用納米流冷卻液對(duì)柴油機(jī)缸蓋冷卻的規(guī)律。

本文首先通過理論計(jì)算的方式獲得缸蓋受熱最為嚴(yán)重的區(qū)域，然后通過一套納米流體射流裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)模擬缸蓋進(jìn)行射流流速、沖擊距離和沖擊角度等參數(shù)對(duì)多金屬納米流冷卻液沖擊冷卻效果的影響研究。實(shí)驗(yàn)中將自配的多金屬納米流冷卻液作為冷卻工質(zhì)［7］，將根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際尺寸按1∶1制作的缸蓋模型作為研究對(duì)象，測(cè)試了不同體積分?jǐn)?shù)下的多金屬納米流冷卻液的沖擊傳熱特性，分析了射流沖擊高度、沖擊角度、射流速度對(duì)系統(tǒng)換熱性能的影響，簡(jiǎn)單介紹了其黏性的增加對(duì)驅(qū)動(dòng)單元電子泵功率損耗的影響。

1 模擬計(jì)算研究

1.1 缸蓋溫度場(chǎng)的計(jì)算

本文將一臺(tái)6缸增壓柴油機(jī)作為研究對(duì)象，利用通用的AVL－fire及Fluent軟件針其第一缸的缸蓋進(jìn)行了建模及溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，如圖1、圖2所示，柴油機(jī)具體參數(shù)如表1所示。分別將傳統(tǒng)冷卻液及自配的多金屬納米流冷卻液作為換熱工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其中多金屬納米流冷卻液的物性參數(shù)需要在軟件中重新編輯，表2所示為多金屬納米流冷卻液熱物性參數(shù)。本文研究過程中，將傳熱性能較好的銅、銀金屬納米粒子制備成多金屬納米流冷卻液。缸蓋溫度場(chǎng)模擬計(jì)算工況為柴油機(jī)最大扭矩工況點(diǎn)。在模擬計(jì)算中認(rèn)為缸蓋內(nèi)部腔體內(nèi)的冷卻液為不可壓縮流體，流動(dòng)狀態(tài)為湍流，湍流計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型。所采用的邊界條件如下：冷卻液進(jìn)入缸蓋的入口質(zhì)量流量為3.8kg/s，溫度為355K；冷卻液出口背壓為122 233Pa，此工況下缸蓋與火力面接觸的平均溫度為1054K，平均對(duì)流傳熱系數(shù)為5727W/（m2·K），進(jìn)氣道內(nèi)空氣平均溫度為324K，平均對(duì)流傳熱系數(shù)為3743W/（m2·K），排氣道內(nèi)氣體的平均溫度為702K，平均對(duì)流傳熱系數(shù)為4920W/（m2·K），設(shè)定周圍環(huán)境溫度為304K。本次研究的計(jì)算過程如下：首先利用AVL－fire軟件對(duì)整體的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模及熱力學(xué)仿真計(jì)算，獲得缸蓋腔內(nèi)較為粗略的冷卻系統(tǒng)流動(dòng)傳熱情況；然后將計(jì)算得到的對(duì)流傳熱系數(shù)和冷卻液溫度映射到缸蓋內(nèi)腔表面，并將其作為第三類熱邊界條件；最后通過Fluent軟件計(jì)算得出缸蓋表面溫度場(chǎng)。

圖1 柴油機(jī)缸蓋計(jì)算模型

圖2 溫度場(chǎng)計(jì)算

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)工作性能參數(shù)表

表2 不同體積分?jǐn)?shù)下多金屬納米流冷卻液在溫度為300K時(shí)的熱物性

圖2表示的是理論計(jì)算后，缸套表面溫度場(chǎng)分布情況。從圖2可以看出，進(jìn)排氣門間隔處溫度較高。圖3表示的是試驗(yàn)用柴油機(jī)在采用多金屬納米流冷卻液前后，第一缸的缸套進(jìn)排氣門鼻梁之間的傳熱系數(shù)計(jì)算值。從圖3b可以看出，采用納米流體作為冷卻液后，缸蓋鼻梁處的傳熱系數(shù)計(jì)算值有了提高。

圖3 采用多金屬納米流冷卻液前后，傳熱系數(shù)理論計(jì)算值（局部）

通過理論計(jì)算可以看出采用多金屬納米流冷卻液前后傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)，雖可以得出計(jì)算點(diǎn)處傳熱系數(shù)的數(shù)值，但這種結(jié)果往往需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。射流測(cè)試系統(tǒng)非常復(fù)雜，需要將原發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋拆卸并進(jìn)行切割、鉆孔等作業(yè)才能使用，必將影響柴油機(jī)的后續(xù)使用，為此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中特按照原機(jī)尺寸1∶1重新制作一個(gè)結(jié)構(gòu)完全一模一樣的第一缸缸蓋，稱為模擬缸蓋。如未有特殊說明，后續(xù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的缸蓋即為模擬缸蓋。試驗(yàn)過程中冷卻液在模擬缸蓋的進(jìn)出口壓力和流量都盡量與臺(tái)架實(shí)測(cè)工況相同。

1.2 多金屬納米流冷卻液射流沖擊冷卻傳熱系數(shù)的說明

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)為

式中，kp為粒子的導(dǎo)熱系數(shù)；kf為基液的導(dǎo)熱系數(shù)；φ為粒子的體積分?jǐn)?shù)；keffp為由于粒子團(tuán)運(yùn)動(dòng)而增強(qiáng)的導(dǎo)熱系數(shù)分量；ρ為混合液密度；cp為混合液定壓比熱容；T為混合液溫度，K；kB為波爾茲曼常數(shù)；τc為粒子簇團(tuán)的平均半徑；η為納米粒子不規(guī)則熱過程的松弛時(shí)間常數(shù)。

顯然，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)與液體導(dǎo)熱系數(shù)、液體的黏滯系數(shù)、固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)、粒子的體積濃度、粒子的密度和比熱容有關(guān)，而且與粒子團(tuán)的平均半徑密切相關(guān)［3－4］。

如果將單金屬納米流擴(kuò)充到多金屬納米流，混合液內(nèi)部的粒子種類以及能量輸運(yùn)能效發(fā)生改變，式（1）中的kp和keffp發(fā)生變化?？蓪⑹剑?）更新為

式中，下標(biāo)1、2、…表示不同種類的金屬納米粒子；β為不同種類金屬納米粒子團(tuán)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)熱分量疊加修正系數(shù)；τc、τd分別為不同粒子簇團(tuán)的平均半徑。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)說明

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)說明

多金屬納米流冷卻液射流沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)如圖4所示。在動(dòng)力單元的可變速電子泵的驅(qū)動(dòng)下，不同流速的射流工質(zhì)經(jīng)過射流孔高速?zèng)_擊到預(yù)設(shè)的加熱表面，與加熱表面發(fā)生射流沖擊換熱，工質(zhì)從發(fā)熱表面攜走熱量，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)熱面的冷卻（發(fā)熱面在經(jīng)過外部電源加熱后溫度仍保持不變）。射流工質(zhì)的流量通過系統(tǒng)的流量控制閥調(diào)節(jié)，為保證射流工質(zhì)溫度的恒定，特引入了高精度恒溫箱設(shè)備。為測(cè)定射流工質(zhì)的流量，特引入了高精度液體質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試［8－9］。為了保證數(shù)據(jù)采集正確，引用高精度NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖4 多金屬納米流冷卻液缸蓋射流沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖4為本次射流沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分的示意圖。實(shí)驗(yàn)過程中，通過電子泵來實(shí)現(xiàn)冷卻液流量的變化，通過流量控制閥來實(shí)現(xiàn)缸蓋冷卻液出口背壓的調(diào)整，通過大功率可編程加熱器代替缸蓋受熱源。

本測(cè)試系統(tǒng)主要包括加熱部分、射流部分、絕熱部分。加熱部分由可編程加熱器組成，用來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量；射流部分包括工質(zhì)入口、噴嘴、射流室、出口、推動(dòng)噴嘴上下移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)；絕熱部分的作用是保證熱量全部傳遞到模擬缸蓋中，如圖5a所示。圖5b所示為本次射流試驗(yàn)裝置的傳熱物理模型。

圖5 射流裝置示意圖及計(jì)算物理模型

模擬缸蓋中溫度測(cè)試點(diǎn)如圖6所示，射流孔布置位置如圖7所示，通過數(shù)據(jù)采集卡測(cè)取3個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的溫度。高精度表面測(cè)溫傳感器的測(cè)量范圍為－20～600℃，誤差為±0.1℃，靈敏度為0.1s。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程測(cè)取了不同射流沖擊高度s（2.2mm、4.1mm、6.2mm、8.1mm）、不同射流沖擊角度α（30°、50°、70°、90°）、不 同 射 流 速 度v（2.7m/s、3.4m/s、4.1m/s、4.8m/s、5.5m/s、6.2m/s、6.9m/s、7.6m/s）對(duì) 傳 熱 系 數(shù) 的 影 響規(guī)律。

圖6 缸蓋中溫度傳感器的布置位置

圖7 射流孔分布位置

2.2 傳熱系數(shù)計(jì)算過程說明

由于有絕熱材料的存在，可以近似將可編程加熱器傳熱問題簡(jiǎn)化為垂直于模擬缸蓋的一維導(dǎo)熱問題［10］，其物理模型見圖5b。

假設(shè)加熱器的熱流密度為

式中，Q為加熱器功率；R為模擬缸蓋的半徑。

在實(shí)際計(jì)算過程中，溫度傳感器埋在模擬缸蓋中，而傳感器探頭到射流表面還存在一定的距離（有效傳導(dǎo)距離），即傳感器探頭并沒有直接接觸到射流工質(zhì)，而工質(zhì)被射流到缸蓋表面時(shí)，高溫傳遞到溫度傳感器探頭還需要經(jīng)過有效傳導(dǎo)距離，而這部分距離亦會(huì)產(chǎn)生熱阻，則通過缸蓋有效距離所傳導(dǎo)的熱流密度為

式中，k為缸蓋導(dǎo)熱系數(shù)；Ts為射流沖擊表面的溫度；Tc為溫度傳感器測(cè)試的溫度；δ為有效傳導(dǎo)距離。

則射流沖擊表面溫度為

式中，δ1為缸蓋全寬度；δ2為溫度傳感器埋入缸蓋中的深度。

射流工質(zhì)的平均溫度取噴嘴進(jìn)口和射流室出口溫度的平均值，用Tj表示。則射流沖擊換熱表面的傳熱系數(shù)為

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程中，分別測(cè)試了多金屬納米粒子體積 分 數(shù) 為 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的混合液與傳統(tǒng)冷卻液的射流沖擊換熱效果，分析了納米粒子體積分?jǐn)?shù)、射流沖擊距離、沖擊角度和入口射流速度對(duì)柴油機(jī)缸蓋裝置中試驗(yàn)部位換熱性能的影響。

圖8給出了射流沖擊距離為3.6mm、沖擊角度為90°條件下，不同體積分?jǐn)?shù)的多金屬納米流體混合液的射流沖擊傳熱系數(shù)隨入口射流速度的變化情況。可以看出，采用多金屬納米流冷卻液作為冷卻介質(zhì)時(shí)，缸蓋研究試驗(yàn)部位的傳熱性能得到了提高。當(dāng)射流速度提高到6.2m/s時(shí)，乙二醇冷卻液的傳熱系數(shù)大約為22 233 W/（m2·K），而采用所配的體積分?jǐn)?shù)為2.0%的多金屬納米流冷卻液后，射流沖擊傳熱系數(shù)達(dá)到了30 109W/（m2·K），比傳統(tǒng)冷卻液的傳熱系數(shù)提高了近35%。

圖8 射流沖擊傳熱系數(shù)隨射流速度的變化趨勢(shì)

采用多金屬納米流冷卻液，一方面增大了流體的導(dǎo)熱系數(shù)；另一方面由于銅、銀納米粒子按照各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不停地撞擊換熱面，強(qiáng)化了粒子與壁面之間的相互作用，使壁面與納米流體之間的傳熱性能得到增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，射流傳熱系數(shù)并非隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。在試驗(yàn)中的幾種體積分?jǐn)?shù)下，體積分?jǐn)?shù)2.0%是個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí)，射流沖擊傳熱系數(shù)隨著體積分?jǐn)?shù)的增大反而減少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加帶來了混合液黏度的增加，當(dāng)黏度增加到一定程度時(shí)，射流能量衰減加快，促成射流換熱效果減弱［11］。

圖9表示的是不同射流沖擊角度下，射流沖擊傳熱系數(shù)隨射流沖擊速度的變化情況。隨著射流角度的增加，傳熱系數(shù)也逐漸增大。射流速度確定時(shí)，沖擊角度越小，射流流體經(jīng)過射流孔到達(dá)換熱面的距離就越大，沖擊衰減就越多。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的表述，射流沖擊角度過大，冷卻表面溫度一致性會(huì)變差。

圖9 四種射流角度下，射流沖擊傳熱系數(shù)隨射流速度的變化規(guī)律

圖10顯示的是射流角度為90°，多金屬納米流冷卻液在不同射流高度下，對(duì)流傳熱系數(shù)的變化?？梢钥闯觯谝欢ǖ纳淞魉俣确秶鷥?nèi)，高度為4.1mm時(shí)的傳熱系數(shù)最大，射流高度為2.2mm的冷卻效果最差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于沖擊高度太小時(shí)，射流由噴嘴到達(dá)被沖擊平面以前，射流未充分發(fā)展［12］。沖擊高度太大，射流沖擊能量衰減也越大，到達(dá)換熱表面速度越小。因此，在一個(gè)特定的沖擊高度，使多金屬納米流冷卻液的射流換熱效果最佳。

圖10 射流高度對(duì)射流傳熱系數(shù)的影響

通過以上研究可以得出，為了得到最佳的射流沖擊冷卻效果，射流沖擊系統(tǒng)的冷卻參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的選擇應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種要求。圖11表示的經(jīng)過最優(yōu)化選取后，不同射流沖擊距離和不同沖擊速度時(shí)，多金屬納米流冷卻液所實(shí)現(xiàn)的傳熱系數(shù)的變化。

試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，在提高換熱能力的同時(shí)，納米粒子也會(huì)增加冷卻介質(zhì)的黏度，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，進(jìn)而需要更大的電子泵驅(qū)動(dòng)功率以保證其流速及流量。為將多金屬納米流冷卻液進(jìn)一步應(yīng)用到現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，需要研究這種變化趨勢(shì)。圖12對(duì)比了不同多金屬納米流冷卻液體積分?jǐn)?shù)下，電子泵損耗功率隨射流速度的變化規(guī)律。如圖12所示，隨著納米流體體積分?jǐn)?shù)的提高，驅(qū)動(dòng)其流動(dòng)的電子泵相應(yīng)的功率亦在提高，這說明納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加使得納米流體黏度增加［11］。

圖11 不同射流速度和沖擊高度下，傳熱系數(shù)變化規(guī)律三維圖

圖12 不同體積分?jǐn)?shù)下多金屬納米流冷卻液，電子泵功率對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)研究，將多金屬納米流冷卻液作為柴油機(jī)的冷卻工質(zhì)，可以有效提高缸蓋鼻梁處的傳熱系數(shù)。

（2）通過自搭建的射流測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)比了不同射流角度、不同射流沖擊距離、不同體積分?jǐn)?shù)下，多金屬納米流冷卻液與傳統(tǒng)冷卻液的傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，多金屬納米流冷卻液在每個(gè)測(cè)試射流速度下都較傳統(tǒng)冷卻液有較大的傳熱系數(shù)，但體積分?jǐn)?shù)的增加對(duì)提高傳熱系數(shù)作用有限。

（3）通過搭建的射流實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試了多金屬納米流冷卻液在不同射流沖擊角度和射流速度下傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)，并得出不同射流沖擊距離和沖擊速度下的最佳傳熱系數(shù)。

（4）添加納米粒子在提高換熱能力的同時(shí)也增加了黏度和流動(dòng)阻力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中流體動(dòng)力單元的電子泵的功率會(huì)隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。

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