鄭 偉

(廈門大學嘉庚學院,漳州 363105)

缸蓋高熱密度區(qū)納米流霧化沖擊冷卻的研究*

鄭 偉

(廈門大學嘉庚學院,漳州 363105)

為進一步提升柴油機缸蓋鼻梁區(qū)散熱能力且解決多孔射流沖擊下的干涉問題,提出了采用納米流冷卻液霧化沖擊冷卻方案,利用計算機仿真計算、高速攝影和柴油機臺架綜合測試研究了不同冷卻方案對缸蓋高熱密度區(qū)換熱效果和柴油機工作性能的影響。結果表明,采用霧化沖擊冷卻方式,因其冷卻液沸騰換熱以核態(tài)沸騰為主,傳熱效率高,故能實現(xiàn)缸蓋高熱密度區(qū)的良好冷卻且溫度比較均勻,溫差小于6℃;該冷卻方式還可增大柴油機的進氣質量流量,在兩種測試工況下,比傳統(tǒng)冷卻方式分別增加4%和8%。同時使NOx和煙度排放分別下降10× 10-6和11% ～15%。

柴油機;缸蓋;納米流;霧化沖擊冷卻;沸騰換熱;試驗研究

前言

柴油機單位體積功率的提高促使研究人員全力探究缸蓋鼻梁區(qū)的最佳傳熱方案[1-4],該區(qū)域具有空間狹小、冷卻困難且呈現(xiàn)非均勻的受熱特征[5-7]。傳統(tǒng)思維是使冷卻液從外向內流動,與其受熱特征剛好相反[8]。納米流冷卻液在內燃機冷卻中的應用已經(jīng)受到研究人員的高度關注[9],先前的研究中提出將局部散熱能力強的射流沖擊技術與導熱性能好的納米流相結合,并應用于缸蓋高熱密度區(qū)的傳熱中,結果表明,在適當技術參數(shù)下可實現(xiàn)強化傳熱,但存在單孔射流下局部傳熱系數(shù)差距大、多孔射流下不同射流束之間的干涉等問題[10-17]。霧化沖擊由于節(jié)能高效,在傳熱領域有著廣泛的研究基礎,且霧化噴射后液滴可比傳統(tǒng)方式更容易進入狹小區(qū)域[18-19]。目前,納米流冷卻液以霧化沖擊方式對柴油機缸蓋工作性能影響的研究,鮮有報道。

為此本文中在帶有一套分體式冷卻系統(tǒng)的柴油機上進行了納米流冷卻液在傳統(tǒng)冷卻方式、射流沖擊冷卻方式和霧化沖擊冷卻方式下對測點溫度和傳熱面換熱情況的理論和試驗研究,試圖尋找適應柴油機缸蓋高熱密度區(qū)的最佳散熱方案,以期在柴油機不均勻受熱情況下實現(xiàn)優(yōu)化冷卻。

1 試驗裝置與方案

根據(jù)研究技術路線,試驗分為強化傳熱試驗、沸騰換熱可視化試驗和柴油機工作性能試驗。其中強化傳熱試驗(示意圖如圖1所示)的目的主要對比傳統(tǒng)冷卻方式、射流沖擊冷卻方式和霧化沖擊冷卻方式下柴油機高熱密度區(qū)換熱面的傳熱性能;沸騰換熱可視化試驗的主要目的是揭示霧化沖擊下沸騰換熱傳熱的機理;而柴油機工作性能試驗的主要目的是對比3種冷卻方式對柴油機工作性能的影響。

圖1 強化傳熱試驗示意圖

通過傳熱試驗臺架進行強化傳熱試驗,對比采用相同的納米流冷卻液,在3種冷卻方式下缸蓋高熱密度區(qū)傳熱性能的差異。Al2O3-乙二醇納米流冷卻液配置過程如圖2所示,其體積分數(shù)為3%,密度為1 223.3kg/m3,沸點為129℃,形成的混合液為白色乳膠狀。試驗中流體流動方向和鑄鐵加熱器形狀如圖3所示。

圖2 納米流冷卻液制備過程

圖3 缸蓋強化傳熱試驗示意圖

如圖3(a)所示,分別準備3個缸蓋,其中1個為原機缸蓋,其余2個對缸蓋進行切割,并安裝射流沖擊裝置和霧化噴射裝置,進行在3種冷卻方式下的強化傳熱試驗。為達到柴油機實際工作時缸內放熱能力,選用功率為2 000kW、工作溫度范圍為700～800℃、定制形狀如圖3(b)所示的鑄鐵加熱器。測試過程中,在缸蓋的16個測點上貼感溫片,測點位置及其標號如圖4所示,包括內部(高熱密度區(qū))8個測點(帶小方框標記)和外圍8個測點(帶星形標記)。

圖4 缸蓋測試位置示意圖

沸騰換熱可視化試驗通過高速攝影裝置結合缸蓋內部改造實現(xiàn),如圖5和圖6所示,將缸蓋進行切割,留出一個側面安裝耐高溫玻璃,同時在內部安裝兩個貼片LED光源,所采用的攝影設備技術參數(shù)如表1所示。

圖5 高速攝影試驗裝置布置

圖6 缸蓋檢測圖

表1 攝影儀技術參數(shù)

柴油機工作性能試驗測試傳統(tǒng)冷卻、射流沖擊和霧化沖擊3種方式對柴油機工作性能的影響,其中經(jīng)濟性對比柴油機運行在外特性處的燃油消耗率;排放性能對比NOx、煙度、HC和CO排放值;進氣流量對比在兩種測試工況下3種冷卻方案時進氣質量流量的差異;試驗過程中所用燃油均為0#柴油,實驗室條件、柴油機進排氣系統(tǒng)和潤滑油等均符合GB 17691—2005的相關規(guī)定,被測柴油機工作性能參數(shù)和臺架測試設備型號如表2和表3所示。

表2 試驗用柴油機工作性能參數(shù)

表3 臺架測試設備

2 數(shù)值仿真計算

文獻[12]中研究表明,單射流沖擊方式會出現(xiàn)局部傳熱系數(shù)差距大的問題,多孔射流會存在不同射流束的干涉問題,因此本文中數(shù)值仿真旨在從理論上比較霧化沖擊冷卻、傳統(tǒng)液態(tài)冷卻和射流沖擊冷卻的傳熱性能。

首先從物理模型上,將缸蓋傳熱問題簡化為二維平面下的傳熱模型,將底線作為受熱區(qū)域,將上下平面作為流體充分流動區(qū)域,將左右兩側作為流體充分流出區(qū)域,射流沖擊孔和霧化沖擊孔的直徑皆設為1.5mm,網(wǎng)格劃分采用正方向網(wǎng)格,射流時流速設為3.4m/s。計算過程中,選用沸騰換熱計算模型[20]。

3 結果與分析

3.1 理論計算對比

理論計算過程中發(fā)現(xiàn),單孔射流沖擊下區(qū)域冷卻均勻性較差,雙孔射流沖擊下存在射流干涉現(xiàn)象,如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 不同射流束射流沖擊干涉示意圖(單位:℃)

由圖7(a)明顯看出,單孔射流下中心位置冷卻效果較好,但兩側冷卻效果很差,最大溫差接近85℃;由圖8(b)可見,在雙孔射流沖擊下,由于不同射流束之間的干涉導致某些區(qū)域出現(xiàn)了溫度接近380℃的高溫點;采用霧化沖擊后,射流束之間的干涉有了明顯的改善,且整個換熱區(qū)域呈現(xiàn)出大面積的霧氣冷卻,整體換熱面上的冷卻較為均衡,如圖7(c)所示。

3.2 試驗數(shù)值對比

圖8為柴油機運行在最大負荷工況和標定工況點下,測點溫度的計算值與實測值的對比。從圖中可以看出,測點實測值與理論計算值都較好地吻合,最大相對誤差小于5%,其中霧化沖擊下溫度值相差不到6℃,但圖中也表現(xiàn)出另外一種規(guī)律,即霧化沖擊后,缸蓋高熱密度區(qū)的實測值均比計算值要小。綜合圖7和圖8,霧化沖擊的計算值始終比實測值要小,說明傳統(tǒng)沸騰換熱的計算精度有待進一步提高。

圖8 鼻梁區(qū)測點溫度值對比

圖9 為射流沖擊高速攝影中的截圖,表現(xiàn)在射流孔不同射流束中確實存在干涉現(xiàn)象,導致干涉區(qū)域無冷卻液出現(xiàn)。而在與霧化沖擊對應的圖10中,冷卻液霧化后液滴可進入到更小區(qū)域,因此干涉現(xiàn)象得到改善。為進一步揭示此處沸騰換熱的傳熱機理,進行局部放大,如圖11所示。由圖可見,在極短時間內,例如10ms內所用納米流冷卻液呈現(xiàn)蒸發(fā)狀態(tài),且隨著蒸發(fā)狀態(tài)的深入使納米粒子逐漸暴露在蒸氣中。

圖9 射流沖擊高速攝影截圖

圖10 霧化沖擊高速攝影截圖

圖11 局部擴大圖

研究表明,霧滴與熱源表面的換熱相當復雜,包含不同的換熱機制,而不同的換熱機制對最終的傳熱系數(shù)又有較大的影響[21-24]。通過圖12的照片可以看出,在納米流冷卻液霧化噴射過程中,主要出現(xiàn)了核態(tài)沸騰換熱。

圖12 對流換熱區(qū)域

主要產(chǎn)生核態(tài)沸騰換熱的原因在于,當換熱表面溫度超過納米流冷卻液的飽和溫度時,霧滴與高溫換熱面經(jīng)歷一短期的導熱過程后,使液膜與高溫換熱面之間發(fā)生沸騰換熱,產(chǎn)生氣泡而帶走了大量的熱量,且隨著高溫換熱面溫度的進一步升高,蒸發(fā)量加大,帶走的熱量進一步增加,最終當溫度達到一定值后,液膜層將會圍繞納米粒子為核心,完全氣泡化,換熱量達到最大值,熱流密度達臨界值,此過程為核態(tài)沸騰。

圖13為不同測試工況下缸蓋外圍不同測點的溫度值。由圖可見,采用霧化沖擊冷卻時,缸蓋外圍點的平均溫度比另外兩種冷卻方式低。

缸蓋溫度的下降,有利于增加進氣質量流量,如圖14所示。由圖可見,兩種測試工況下,霧化沖擊冷卻方式下的進氣質量流量分別比傳統(tǒng)冷卻方式增加約4%和8%。

圖13 缸蓋外圍測點數(shù)據(jù)對比

圖14 進氣流量對比

圖15 為不同冷卻方式對柴油機燃油消耗率的影響。由圖可見,中小轉速下,不同冷卻方式的燃油消耗率相差不大,提高轉速后,則體現(xiàn)出了霧化沖擊冷卻的優(yōu)勢。其原因在于霧化沖擊冷卻方式有效增強了進氣質量流量,增加了缸內的氧濃度,從而促進燃燒,提高燃油經(jīng)濟性。

圖15 經(jīng)濟性對比

圖16 和圖17分別為不同冷卻方式對柴油機排放的影響,排放測試針對試驗用柴油機的NOx、煙度值、HC和CO。由圖16可見,采用霧化沖擊冷卻方式時NOx和煙度值都有所降低,在絕大部分轉速下的NOx排放比傳統(tǒng)冷卻方式約降低10×10-6,而煙度排放約降低11%～15%。

圖16 柴油機NOx和煙度排放對比

NOx和煙度排放的降低,源于缸內新鮮充量的增加,有利于降低缸內最高燃燒溫度,因此采用霧化沖擊冷卻方式有效降低了NOx和微粒的形成,由圖17可見,采用霧化沖擊冷卻方式的CO排放,轉速低于1 500r/min時比傳統(tǒng)冷卻方式低,轉速高于1 500r/min時比傳統(tǒng)冷卻方式高,最大差別皆約25× 10-6;至于HC排放,不同冷卻方式之間差別都不大。霧化沖擊冷卻方式的HC排放比傳統(tǒng)冷卻方式的降幅在最低轉速1 000r/min時達最大值,但也不超過20×10-6;隨著轉速的提高,降幅逐漸減小,到最高轉速2 200r/min時基本沒有差別。

圖17 柴油機CO和HC排放對比

4 結論

(1)本文中采用納米粒霧化沖擊冷卻應對缸蓋高熱密度區(qū)散熱難的問題,結果表明此方案對缸蓋具有良好冷卻的能力,且冷卻較為均勻。

(2)理論研究結果表明,霧化沖擊使冷卻液滴在換熱區(qū)域充分分散,整體換熱面上換熱效果較為均衡。

(3)試驗研究表明,采用霧化沖擊冷卻時,缸蓋換熱面溫差小于6℃,霧化沖擊后沸騰換熱主要呈現(xiàn)核態(tài)沸騰換熱為主,兩種測試工況下,霧化沖擊冷卻的進氣質量流量分別比傳統(tǒng)冷卻方式增大4%和8%,NOx排放約比傳統(tǒng)方式降低10×10-6,但在HC和CO排放方面沒有呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。

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A Research on Atomized Jet Impingement Cooling with Nanofluid Coolant at High Thermal Density Zone of Cylinder Head

Zheng Wei
Tan Kah Kee College,Xiamen University,Zhangzhou 363105

In order to further enhance the heat dissipation capacity of cylinder head bridge zone of diesel engine and solve the problem of interference in multiple jet impingement,a scheme of atomized jet impingement cooling with nanofluid coolant is proposed,and the influences of different cooling schemes on the heat exchange effects in the high thermal density zone of cylinder head are studied by computer simulation,high speed photography and comprehensive bench tests.The results show that the atomized jet impingement cooling scheme,due to the dominance of nucleate boiling in the boiling heat transfer of nanofluid coolant with high heat transfer efficiency,can achieve better cooling of the high thermal density zone of cylinder head and more even temperature distribution with a temperature difference less than 6℃.The cooling scheme can also increase the induction mass flow rate by 4% and 8%respectively at two working conditions and reduce the NOxand soot emissions by 10×10-6and 11%to 15% respectively,compared with traditional cooling scheme.

diesel engine;cylinder head;nanofluids;atomized jet impingement cooling;boiling heat exchange;experimental study

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.018

*國家自然科學基金(51366006)、福建省自然科學基金(2015J01223)、福建省高校新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(2015年度)和福建省中青年教師教育科研項目(JA15612)資助。

原稿收到日期為2016年1月4日,修改稿收到日期為2016年3月9日。

鄭偉,博士,副教授,E-mail:andyzeen@163.com。