張 亮 原亞東 孫志強(qiáng) 李徐佳 陳賀敏

1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島,0660042.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，秦皇島,066004

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一[1]。若傳給活塞的熱量沒有及時(shí)被帶走，會(huì)引起活塞發(fā)生熱變形，導(dǎo)致活塞強(qiáng)度顯著降低，甚至?xí)a(chǎn)生燒熔、燒蝕等嚴(yán)重后果，使得內(nèi)燃機(jī)在工作過程中的安全穩(wěn)定性降低。

為確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，必須解決好活塞的冷卻問題。當(dāng)活塞功率密度超過一定值時(shí)，活塞內(nèi)必須設(shè)置冷卻油腔才能使活塞正常運(yùn)行[2]。但冷卻油腔在降低活塞工作溫度的同時(shí)也使活塞的工作溫度梯度產(chǎn)生很大的變化，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，因此冷卻油腔結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是降低活塞熱負(fù)荷、保證活塞工作可靠性的關(guān)鍵[3]。隨著工程需求的持續(xù)提升，內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷不斷增大，活塞冷卻油腔內(nèi)的熱量需及時(shí)傳遞至外部。若僅僅采用增大活塞冷卻油腔橫截面積的方法來強(qiáng)化傳熱，則活塞強(qiáng)度將顯著降低，因此需在有限體積內(nèi)將傳統(tǒng)冷卻油腔的直壁通道形狀改為利于帶走熱量的通道形狀，以強(qiáng)化冷卻油腔內(nèi)的熱質(zhì)傳遞。

大多數(shù)活塞冷卻油腔的冷卻通道采用三維直壁通道。許多學(xué)者開展了不同形狀通道內(nèi)牛頓流體的熱質(zhì)傳遞及流動(dòng)特性方面的研究[4-9]。

除牛頓流體外，剪應(yīng)力與剪切變形率間以非線性關(guān)系呈現(xiàn)的非牛頓流體在熱質(zhì)傳遞領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，非牛頓流體在不同流路中的流動(dòng)特性研究也逐漸展開。ZHANG等[10]在不同形狀的波壁管內(nèi)研究了具有非牛頓流動(dòng)特性的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液的流動(dòng)特性，他們發(fā)現(xiàn)：與水相比，該非牛頓流體的摩擦因子顯著減小。AFZAL等[11]對(duì)T形通道和迂回通道中非牛頓流體的流動(dòng)與混合特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，其研究結(jié)果表明，迂回通道的混合特性要優(yōu)于T形通道的混合特性。張鈞波等[12]采用有限體積法對(duì)冪律非牛頓流體在偏心圓環(huán)管中的層流流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，流體的冪律因子對(duì)流動(dòng)的影響較大，而傳熱則受到偏心率的影響。也有少部分學(xué)者在非牛頓流體傳質(zhì)方面展開探索，易妍妍等[13]以CO2氣泡在羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液中的傳質(zhì)為研究對(duì)象，分別分析了氣泡速率、CMC溶液濃度、針頭直徑對(duì)氣泡生成過程中氣液傳質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CMC濃度的提高，黏度和傳質(zhì)系數(shù)均逐漸增大。

綜上所述，現(xiàn)有的多數(shù)研究集中于直壁通道內(nèi)非牛頓流體的流動(dòng)特性，關(guān)于三維波壁流路內(nèi)脈動(dòng)流場對(duì)非牛頓流體流動(dòng)特性的影響方面的報(bào)道很少。本研究主要通過實(shí)驗(yàn)的手段，開展脈動(dòng)流場下非牛頓流體在波壁通道內(nèi)的流動(dòng)及質(zhì)量傳遞特性研究，以模擬內(nèi)燃機(jī)冷卻油腔內(nèi)的流動(dòng)及熱質(zhì)傳遞特性，為脈動(dòng)流場下非牛頓流體在冷卻油腔內(nèi)的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

由于具有典型非牛頓流動(dòng)特性的PAM水溶液在工程實(shí)際中有廣泛應(yīng)用，故將不同濃度的PAM水溶液作為本研究中的工作流體。與牛頓流體相比，該非牛頓流體具有剪切變稀的特點(diǎn)[14]，其在流動(dòng)過程中剪切變形率越高,黏度越小，流動(dòng)邊界層越薄，傳熱熱阻越小，越有利于熱質(zhì)傳遞。

脈動(dòng)流作用下的單循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。工作流體的動(dòng)力源為離心泵，采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測控工作流體流量。活塞泵對(duì)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)工作流體施加正弦振動(dòng)。溢流槽設(shè)置在實(shí)驗(yàn)段出口位置，該設(shè)置消除了外界條件對(duì)層湍轉(zhuǎn)捩的影響。熱交換器用來控制工作流體的溫度。波壁管的形狀參數(shù)見圖2，其中λ為波壁管波長，2a為波壁管波幅，Dmax、Dmin分別為波壁管最大和最小截面處直徑。

圖1 脈動(dòng)流作用下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system under pulsating flow

圖2 波壁管的形狀參數(shù)Fig.2 Shape parameters of wave-walled tube

1.1 沿程阻力測量系統(tǒng)

用壓力差的實(shí)驗(yàn)方法來研究系統(tǒng)的沿程阻力，實(shí)驗(yàn)段兩端的壓力差用U形管壓差計(jì)進(jìn)行測量。測量時(shí)將實(shí)驗(yàn)段入口和出口的測壓口分別與U形管壓差計(jì)兩側(cè)相連接。將密度較大的四氯化碳作為指示液，并用較大密度四氯化碳和較小密度工作流體的密度差來計(jì)算實(shí)驗(yàn)段的壓力差。

1.2 活塞泵的工作原理

圖3a所示為活塞泵中活塞一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度可表示為

ui=2πfTssin(2πt/T)

(1)

式中，fT為脈動(dòng)頻率;s為偏心轉(zhuǎn)盤沖程;t為脈動(dòng)流動(dòng)的瞬時(shí)時(shí)刻;T為一個(gè)完整脈動(dòng)周期。

一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻(t/T=0～1)脈動(dòng)流的瞬時(shí)流量見圖3b。從圖3b中可以看出，t/T=0～0.250的區(qū)域?yàn)榱黧w加速區(qū)，流體流速在活塞泵的作用下逐漸增大；t/T=0.250時(shí)，流體流量在該脈動(dòng)周期內(nèi)最大;t/T=0.250～0.500區(qū)域內(nèi)流體流速逐漸減小，稱該區(qū)域?yàn)闇p速區(qū)；t/T=0.500時(shí)，脈動(dòng)流量與定常流量qVs相同;t/T=0.500～0.750區(qū)域內(nèi)，流體流量在脈動(dòng)泵的作用下開始小于定常流量并逐漸減小，減小至流量為零后，開始向逆凈流量方向增大;在t/T=0.750時(shí)流體流量在逆凈流量方向達(dá)到最大值；當(dāng)流體流動(dòng)進(jìn)入t/T=0.750～1.000區(qū)域內(nèi)，流體反向流動(dòng)速度逐步降至零點(diǎn)，然后出現(xiàn)逐步增大的凈流動(dòng)方向速度。

(a)活塞的運(yùn)動(dòng)位置

(b)脈動(dòng)流瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)的時(shí)刻圖3 脈動(dòng)流流量與活塞位置的關(guān)系Fig.3 The relationship between the flow rate of pulsating flow and the position of piston

1.3 可視化實(shí)驗(yàn)原理

脈動(dòng)流場可以使流動(dòng)流體在低雷諾數(shù)下發(fā)生傳遞強(qiáng)化，因此本研究利用Scotch-Yoke裝置來控制脈動(dòng)頻率，同時(shí)用定時(shí)刻可視化技術(shù)觀察波壁管內(nèi)流體復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，來分析并闡明管內(nèi)流體的流動(dòng)特性。為仔細(xì)分析流體在加速區(qū)、減速區(qū)、反向加速區(qū)、最大和最小流速時(shí)的流型，對(duì)轉(zhuǎn)盤中心軸的圓周方向進(jìn)行八等分，并標(biāo)明等分線，每一條等分線對(duì)應(yīng)一個(gè)脈動(dòng)周期不同區(qū)域內(nèi)的流型。在可視化流型采集過程中，在轉(zhuǎn)盤軸向位置安裝一個(gè)反光螺栓，并不斷調(diào)整中心軸上反光螺栓的位置使其對(duì)準(zhǔn)不同速度區(qū)的等分線，最終可采集到流體在不同速度區(qū)內(nèi)的流型，整個(gè)定時(shí)刻可視化裝置見圖4。在整個(gè)流動(dòng)可視化過程中,將鋁粉作為示蹤粒子。

圖4 定時(shí)刻可視化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 The experimental apparatus for timing visualizations

將強(qiáng)力探照燈用遮光紙改造成片光源，用于第9波段的可視化實(shí)驗(yàn)， 整個(gè)流動(dòng)可視化拍攝系統(tǒng)見圖5。脈動(dòng)流場下可視化流型的瞬時(shí)采集依靠光驅(qū)照相系統(tǒng)來完成。為準(zhǔn)確采集在不同速度區(qū)域的流體流型，將反光螺栓的位置調(diào)整到某一速度區(qū)的刻線處，與光纖傳感器連接的光驅(qū)數(shù)碼相機(jī)接收反光螺栓的光信號(hào)，與此同時(shí)，光驅(qū)相機(jī)被驅(qū)動(dòng)，從而采集到不同速度區(qū)流體的瞬時(shí)流型。依次調(diào)整反光螺栓對(duì)應(yīng)于不同的速度區(qū)，最終得到所有速度區(qū)內(nèi)流體的瞬時(shí)流型。整個(gè)可視化實(shí)驗(yàn)過程所采用的光驅(qū)相機(jī)型號(hào)為Nikon D2H，其曝光時(shí)間和光圈值的范圍分別為1/6～1/35 s和F=2.5～10.0。

圖5 流體流型采集系統(tǒng)Fig.5 Fluid flow pattern acquisition system

1.4 參數(shù)定義

本實(shí)驗(yàn)在圖1所示的脈動(dòng)流作用下的單循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成，摩擦因子f的表達(dá)式如下：

(2)

式中，Δp為測試段兩側(cè)的壓力差;L為測試段長度;ρ為流體密度;u為流體流動(dòng)速度。

將工作流體凈流量qVs定義為循環(huán)系統(tǒng)中流量計(jì)所控的穩(wěn)定流量。由離心泵控制凈流量的大小，活塞泵使流體產(chǎn)生振動(dòng)流。脈動(dòng)流場的振動(dòng)分率和St數(shù)的大小可通過活塞泵來調(diào)節(jié)。則脈動(dòng)流流量可表示為

qVi=qVs+qVosin(2πt/T)

(3)

式中，qVi為某時(shí)刻脈動(dòng)流作用下的瞬時(shí)流體流量;qVo為無凈流量時(shí)脈動(dòng)流作用下流體的最大流量;A為管道截面積;DP為脈動(dòng)裝置的當(dāng)量直徑。

波壁管由圖2所示的14個(gè)周期的波段組成，則脈動(dòng)參數(shù)可分別表示為

Res=ρusDmax/μ

(4)

P=qVo/qVs

(5)

St=2πfTDmax/us

(6)

式中，Res為凈雷諾數(shù)；P為振動(dòng)分率；μ為流體動(dòng)力黏度；us為波壁管周期內(nèi)每個(gè)最大截面處流體的平均速度。

為仔細(xì)分析操作參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)形態(tài)的影響，引入不穩(wěn)定率:

U=N-/N-and+

(7)

式中，N-為脈動(dòng)條件下不穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)域數(shù)量;N-and+為脈動(dòng)條件下所有脈動(dòng)流域的數(shù)量。

2 結(jié)果和討論

2.1 雷諾數(shù)對(duì)摩擦因子的影響

圖6所示為采用壓力差方法測得的波壁通道內(nèi)的摩擦因子。根據(jù)摩擦因子f隨雷諾數(shù)Re變化的整體趨勢，在波壁通道內(nèi)將水和非牛頓流體PAM(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(PAM)=1.50×10-4,下文未特殊說明的，均指該質(zhì)量分?jǐn)?shù)PAM)各分為3個(gè)流域。水流域的劃分為：Re<594的低雷諾數(shù)流域，摩擦因子與雷諾數(shù)成反比，并近似線性降低，該區(qū)域?yàn)閷恿鲄^(qū)；594≤Re≤829時(shí)，雷諾數(shù)與摩擦因子成正比，兩者為非線性關(guān)系，該區(qū)域?yàn)檫^渡流區(qū)；Re>829時(shí)，雷諾數(shù)與摩擦因子無關(guān)，該區(qū)域?yàn)橥牧鲄^(qū)。同理，PAM的層流區(qū)、過渡流區(qū)和湍流區(qū)依次為：Re<254、254≤Re≤426和Re>426。

圖6 雷諾數(shù)與摩擦因子的相關(guān)性Fig.6 Relationship between friction factor and Reynolds number

由圖6可以看出，與水在直壁通道內(nèi)的流動(dòng)相比(Re=2 320)，水在波壁通道內(nèi)層湍轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)減小至594，層湍轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前了74.4%，將工作流體替換為非牛頓流體PAM后，層湍轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)由594減小至254，層湍轉(zhuǎn)捩點(diǎn)再次提前了57.2%；與其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PAM相比，當(dāng)PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5×10-4時(shí)，流動(dòng)阻力最小，原因可能是PAM分子在流動(dòng)時(shí)形成了有利于流動(dòng)方向分子鏈的排列，隨著剪切速率的增大，近壁處流體的黏度急劇下降、從而導(dǎo)致了剪切變稀。

2.2 波壁通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性

根據(jù)流體在層流區(qū)和湍流區(qū)流動(dòng)的特點(diǎn)，將流體流動(dòng)形態(tài)定義為兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖7a所示為Re=50時(shí)(層流區(qū))PAM在波壁管內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)。該流動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn)為：主流與波壁管軸線平行，在每個(gè)波段徑向?qū)ΨQ位置形成穩(wěn)定的漩渦，漩渦中心位于一個(gè)完整周期的后半部分；主流和漩渦間幾乎沒有產(chǎn)生流動(dòng)交換，導(dǎo)致該流動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體的傳質(zhì)速率較小、混合效果較弱。總體來看，該流動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可將該流動(dòng)形態(tài)定義為穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)，用“+”表示。圖7b所示為Re=460時(shí)(湍流區(qū))PAM在波壁管內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)。與上述穩(wěn)定的流動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，該流動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有顯著差異。在湍流區(qū)域內(nèi)流體的流動(dòng)特點(diǎn)為：主流不再與波壁管軸線平行，發(fā)生徑向紊亂；每個(gè)波段徑向?qū)ΨQ位置形成的漩渦不再穩(wěn)定，有利于減小邊界層厚度，將該流動(dòng)形態(tài)定義為不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)，用“-”表示。由該可視化結(jié)果可知，與傳統(tǒng)直壁管相比，波壁通道內(nèi)的工作流體在雷諾數(shù)較低時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)形態(tài)，該可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與壓力差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

(a)“+”流動(dòng)形態(tài) (b)“-”流動(dòng)形態(tài)圖7 “+”流動(dòng)和“-”流動(dòng)的結(jié)構(gòu)特性Fig.7 The flow structure characteristics of “+” flow and “-” flow

2.3 脈動(dòng)流場對(duì)波壁管內(nèi)流體流動(dòng)特性的影響

圖8所示為Res=496、P=0.4、St=0.53條件下，PAM在脈動(dòng)流場作用下的流動(dòng)形態(tài)，其中Rei為脈動(dòng)狀態(tài)下管內(nèi)流體的瞬時(shí)雷諾數(shù)。根據(jù)前文對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的定義，對(duì)流體在不同流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。由圖8可以看出，當(dāng)流體流動(dòng)位于減速區(qū)域t/T=0.250～0.625時(shí)，流體流動(dòng)混合速率加快，主流發(fā)生徑向紊亂，為“-”流動(dòng)；而當(dāng)流體流動(dòng)位于t/T=0～0.125和t/T=0.750～0.875區(qū)域內(nèi)時(shí)，為“+”流動(dòng)。對(duì)整個(gè)脈動(dòng)周期的流體流動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，漩渦中心首先向下游移動(dòng)，然后依次經(jīng)歷縮小、消失、重新形成、增長，并移動(dòng)至上游的變化過程。即流體在減速區(qū)內(nèi)更易產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)形態(tài)，流動(dòng)混合效果較好。

(a)Rei=496,t/T=0,“+” (b)Rei=636,t/T=0.125,“-”

(c)Rei=694,t/T=0.250,“+” (d)Rei=636,t/T=0.375,“-”

(e)Rei=496,t/T=0.500,“-” (f)Rei=356，t/T=0.625,“+”

(g)Rei=298,t/T=0.750，“-” (h)Rei=356，t/T=0.875，“+”圖8 PAM溶液的流動(dòng)結(jié)構(gòu)(Res=496，P=0.4，St=0.53)Fig.8 Flow structure of PAM solution(Res=496，P=0.4，St=0.53)

將無反向流與有反向流的“+”、“-”流動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1～表3，其中Res=109，PAM濃度為1.5×10-4。通過對(duì)比并分析表1～表3的流體“+”、“-”流動(dòng)形態(tài)可知：①流動(dòng)在正向加速區(qū)域趨于“+”流動(dòng)，在反向減速區(qū)域趨于“-”流動(dòng)；②隨著St數(shù)的增大，“-”流動(dòng)區(qū)由正向加速區(qū)域向反向減速區(qū)轉(zhuǎn)移；③對(duì)比不穩(wěn)定率P=0.4與P=1.5可以發(fā)現(xiàn)，有反向流時(shí)，流體不穩(wěn)定率較高且出現(xiàn)在層流區(qū)域，與無反向流相比，反向流發(fā)生時(shí)的不穩(wěn)定率U由0增大至37.5%。

表1 PAM溶液一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的流型(P=0.4)

表2 PAM溶液一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的流型(P=1.0)

表3 PAM溶液一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的流型(P=1.5)

2.4 在相同脈動(dòng)條件下的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果

本研究利用FLUENT6.1軟件，對(duì)與上述實(shí)驗(yàn)段相同形狀的波壁管內(nèi)流體在脈動(dòng)流作用下的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。

圖9 計(jì)算網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The structure diagram of computing grid

(2)模擬結(jié)果。在FLUENT6.1軟件中導(dǎo)入與實(shí)驗(yàn)條件相同的脈動(dòng)流程序后，可得到脈動(dòng)流場下流體在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的瞬時(shí)流量隨時(shí)間步長的變化曲線，見圖10。

圖10 一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)流量隨時(shí)間步的變化Fig.10 The flow variation with time step in a pulsating period

PAM在Res=109、P=0.4、St=0.32條件下，不同速度區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬(FlUENT6.1軟件)結(jié)果見圖11。由圖11可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體吻合度較高，因此可用Fluent6.1軟件來對(duì)相同條件下的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行補(bǔ)充與拓展。

3 結(jié)論

(1)由壓力差實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：與水在直壁通道內(nèi)的流動(dòng)相比，水在波壁通道內(nèi)層湍轉(zhuǎn)捩點(diǎn)約提前了74.4%，將工作流體替換為w(PAM)=1.5×10-4的非牛頓流體后，層湍轉(zhuǎn)捩點(diǎn)再次提前57.2%；非牛頓流體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5×10-4時(shí)，流動(dòng)阻力最小。

(2)由可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：與水在直壁通道內(nèi)的流動(dòng)相比，波壁通道內(nèi)工作流體在雷諾數(shù)較低時(shí)就可出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)形態(tài)。

(a)t/T=0

(b)t/T=0.125

(c)t/T=0.250

(e)t/T=0.500

(f)t/T=0.625

(g)t/T=0.750

(h)t/T=0.875圖11 PAM溶液的數(shù)值模擬和可視化照片(Re=109，P=0.4，St=0.32)Fig.11 Numerical simulation and visual photographs of PAM solution (Re=109，P=0.4，St=0.32)

(3)脈動(dòng)流場的操作參數(shù)對(duì)流體在波壁通道內(nèi)的流動(dòng)有較大影響：在層流區(qū)域內(nèi)，較大振動(dòng)分率、中等St數(shù)條件下的流體不穩(wěn)定率最高，可達(dá)37.5%。

(4)脈動(dòng)流場下非牛頓流體在波壁管內(nèi)流動(dòng)特性的模擬結(jié)果與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的較好，故可采用FlUENT6.1軟件來模擬不同雷諾數(shù)下波壁通道內(nèi)流體的流動(dòng)特性，以輔助拓展通道形狀的改變對(duì)活塞冷卻油腔內(nèi)工作流體的阻力及流動(dòng)特性的影響方面研究。