內(nèi)燃機氣缸蓋沸騰傳熱汽泡演化行為可視化實驗研究.pdf

1、本文以某高強化增壓柴油機為研究對象，開展氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱和可視化實驗研究。完成了氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱和可視化實驗平臺的布置和搭建，在實驗過程中，拍攝了內(nèi)燃機不同運行工況和流動參數(shù)下鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡的演化行為，同時采集了內(nèi)燃機基本運行參數(shù)及測點的溫度等數(shù)據(jù)。通過對圖像的處理,分析了不同工況和流動參數(shù)下汽泡的核化、成長、滑移和聚合等行為的現(xiàn)象及機理，并探討了汽泡的演化行為對沸騰換熱性能的影響規(guī)律。全文工作內(nèi)容及所得的主要結(jié)論概括如

2、下：
　　(1)通過可視化圖像發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)定工況下內(nèi)燃機冷卻水腔內(nèi)熱流量較大的鼻梁區(qū)域存在沸騰換熱現(xiàn)象。對汽泡的成長可視化圖像分析得，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加，汽泡成長平均直徑逐漸增加。在成長初始階段汽泡成長速度較快，而汽泡頂部受冷凝作用后，成長變得緩慢；對滑移行為圖像中，兩個典型汽泡的運動特性分析得，滑移速度分別為0.0514m/s和0.0852m/s的汽泡，其處于加速滑移階段。而滑移速度分別為0.1268m/s和0.0282m/s的汽

3、泡，其受力狀況產(chǎn)生了變化，受到的阻力不斷增大；由汽泡聚合行為圖像的研究發(fā)現(xiàn)，在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下，汽泡當(dāng)量直徑分布符合正態(tài)分布規(guī)律，且擬合曲線的確定系數(shù)均值為98.72％。隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加，擬合曲線的分散尺度參數(shù)σ逐漸增加。在σ達到最大值0.56時，汽泡的當(dāng)量直徑分布波動的程度最為劇烈，表明汽泡的聚合現(xiàn)象越多對整體汽泡行為的隨機性影響越強烈。
　　(2)對比分析低速大負荷和最大扭矩工況下沸騰汽泡的成長特性得，最大扭矩工況下汽泡成長

4、的平均直徑與低速大負荷工況的相比平均增幅達到19%。由機理分析可知，最大扭矩工況下受熱面上熱負荷狀況更嚴峻，汽泡成長能夠獲得更多的熱量和質(zhì)量，從而更容易形成尺寸較大的汽泡；對兩個工況下汽泡運動特性對比研究得，最大扭矩工況下汽泡平均滑移速度為0.12m/s要明顯大于低速大負荷工況下的0.056m/s；研究了不同工況下汽泡當(dāng)量直徑的分布規(guī)律得，最大扭矩工況的汽泡平均當(dāng)量直徑與低速大負荷工況的相比平均增幅分別為13%和9.3%，表明最大扭矩工

5、況下汽泡聚合行為對汽泡當(dāng)量直徑的分布影響程度要比低速大負荷工況更明顯。
　　(3)研究了過冷度和流量等流動參數(shù)對沸騰汽泡演化行為的影響規(guī)律。對各工況下汽泡演化行為圖像分析發(fā)現(xiàn)，汽泡成長的平均直徑、汽泡滑移的平均速度以及聚合汽泡的平均當(dāng)量直徑都隨過冷度或流量的減小而逐漸增加，兩種流動工況下汽泡成長直徑的平均增幅最高值分別為0.12mm和0.77mm。在高過冷度和流量工況下，單相對流換熱起著主導(dǎo)的作用。過冷的流體能有效增加過熱流體層內(nèi)

6、激冷作用的換熱量，受高速流體沖刷作用影響，汽泡數(shù)目多而尺寸??；在低過冷度和低流量工況下，汽泡受力狀況穩(wěn)定，產(chǎn)生滑移和聚合行為的可能性增加，汽泡間劇烈的擾動能有效地提升沸騰換熱的性能。熱流體能提供更多用于汽泡成長的能量和質(zhì)量，低流量下汽泡的數(shù)目少而尺寸大。
　　(4)最后結(jié)合氣缸蓋沸騰傳熱結(jié)果進行驗證，在標(biāo)定工況下，隨著冷卻流量降低，其它測點溫度有緩慢增長的趨勢，但鼻梁區(qū)域內(nèi)測點的溫度值有了小幅下降，表明鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡的核化、成長、