缸盖高热密度区纳米流雾化冲击冷却的研究*

郑 伟

(厦门大学嘉庚学院,漳州 363105)

缸盖高热密度区纳米流雾化冲击冷却的研究*

郑 伟

(厦门大学嘉庚学院,漳州 363105)

为进一步提升柴油机缸盖鼻梁区散热能力且解决多孔射流冲击下的干涉问题,提出了采用纳米流冷却液雾化冲击冷却方案,利用计算机仿真计算、高速摄影和柴油机台架综合测试研究了不同冷却方案对缸盖高热密度区换热效果和柴油机工作性能的影响。结果表明,采用雾化冲击冷却方式,因其冷却液沸腾换热以核态沸腾为主,传热效率高,故能实现缸盖高热密度区的良好冷却且温度比较均匀,温差小于6℃;该冷却方式还可增大柴油机的进气质量流量,在两种测试工况下,比传统冷却方式分别增加4%和8%。同时使NOx和烟度排放分别下降10× 10-6和11% ～15%。

柴油机;缸盖;纳米流;雾化冲击冷却;沸腾换热;试验研究

前言

柴油机单位体积功率的提高促使研究人员全力探究缸盖鼻梁区的最佳传热方案[1-4],该区域具有空间狭小、冷却困难且呈现非均匀的受热特征[5-7]。传统思维是使冷却液从外向内流动,与其受热特征刚好相反[8]。纳米流冷却液在内燃机冷却中的应用已经受到研究人员的高度关注[9],先前的研究中提出将局部散热能力强的射流冲击技术与导热性能好的纳米流相结合,并应用于缸盖高热密度区的传热中,结果表明,在适当技术参数下可实现强化传热,但存在单孔射流下局部传热系数差距大、多孔射流下不同射流束之间的干涉等问题[10-17]。雾化冲击由于节能高效,在传热领域有着广泛的研究基础,且雾化喷射后液滴可比传统方式更容易进入狭小区域[18-19]。目前,纳米流冷却液以雾化冲击方式对柴油机缸盖工作性能影响的研究,鲜有报道。

为此本文中在带有一套分体式冷却系统的柴油机上进行了纳米流冷却液在传统冷却方式、射流冲击冷却方式和雾化冲击冷却方式下对测点温度和传热面换热情况的理论和试验研究,试图寻找适应柴油机缸盖高热密度区的最佳散热方案,以期在柴油机不均匀受热情况下实现优化冷却。

1 试验装置与方案

根据研究技术路线,试验分为强化传热试验、沸腾换热可视化试验和柴油机工作性能试验。其中强化传热试验(示意图如图1所示)的目的主要对比传统冷却方式、射流冲击冷却方式和雾化冲击冷却方式下柴油机高热密度区换热面的传热性能;沸腾换热可视化试验的主要目的是揭示雾化冲击下沸腾换热传热的机理;而柴油机工作性能试验的主要目的是对比3种冷却方式对柴油机工作性能的影响。

图1 强化传热试验示意图

通过传热试验台架进行强化传热试验,对比采用相同的纳米流冷却液,在3种冷却方式下缸盖高热密度区传热性能的差异。Al2O3-乙二醇纳米流冷却液配置过程如图2所示,其体积分数为3%,密度为1 223.3kg/m3,沸点为129℃,形成的混合液为白色乳胶状。试验中流体流动方向和铸铁加热器形状如图3所示。

图2 纳米流冷却液制备过程

图3 缸盖强化传热试验示意图

如图3(a)所示,分别准备3个缸盖,其中1个为原机缸盖,其余2个对缸盖进行切割,并安装射流冲击装置和雾化喷射装置,进行在3种冷却方式下的强化传热试验。为达到柴油机实际工作时缸内放热能力,选用功率为2 000kW、工作温度范围为700～800℃、定制形状如图3(b)所示的铸铁加热器。测试过程中,在缸盖的16个测点上贴感温片,测点位置及其标号如图4所示,包括内部(高热密度区)8个测点(带小方框标记)和外围8个测点(带星形标记)。

图4 缸盖测试位置示意图

沸腾换热可视化试验通过高速摄影装置结合缸盖内部改造实现,如图5和图6所示,将缸盖进行切割,留出一个侧面安装耐高温玻璃,同时在内部安装两个贴片LED光源,所采用的摄影设备技术参数如表1所示。

图5 高速摄影试验装置布置

图6 缸盖检测图

表1 摄影仪技术参数

柴油机工作性能试验测试传统冷却、射流冲击和雾化冲击3种方式对柴油机工作性能的影响,其中经济性对比柴油机运行在外特性处的燃油消耗率;排放性能对比NOx、烟度、HC和CO排放值;进气流量对比在两种测试工况下3种冷却方案时进气质量流量的差异;试验过程中所用燃油均为0#柴油,实验室条件、柴油机进排气系统和润滑油等均符合GB 17691—2005的相关规定,被测柴油机工作性能参数和台架测试设备型号如表2和表3所示。

表2 试验用柴油机工作性能参数

表3 台架测试设备

2 数值仿真计算

文献[12]中研究表明,单射流冲击方式会出现局部传热系数差距大的问题,多孔射流会存在不同射流束的干涉问题,因此本文中数值仿真旨在从理论上比较雾化冲击冷却、传统液态冷却和射流冲击冷却的传热性能。

首先从物理模型上,将缸盖传热问题简化为二维平面下的传热模型,将底线作为受热区域,将上下平面作为流体充分流动区域,将左右两侧作为流体充分流出区域,射流冲击孔和雾化冲击孔的直径皆设为1.5mm,网格划分采用正方向网格,射流时流速设为3.4m/s。计算过程中,选用沸腾换热计算模型[20]。

3 结果与分析

3.1 理论计算对比

理论计算过程中发现,单孔射流冲击下区域冷却均匀性较差,双孔射流冲击下存在射流干涉现象,如图7(a)和图7(b)所示。

图7 不同射流束射流冲击干涉示意图(单位:℃)

由图7(a)明显看出,单孔射流下中心位置冷却效果较好,但两侧冷却效果很差,最大温差接近85℃;由图8(b)可见,在双孔射流冲击下,由于不同射流束之间的干涉导致某些区域出现了温度接近380℃的高温点;采用雾化冲击后,射流束之间的干涉有了明显的改善,且整个换热区域呈现出大面积的雾气冷却,整体换热面上的冷却较为均衡,如图7(c)所示。

3.2 试验数值对比

图8为柴油机运行在最大负荷工况和标定工况点下,测点温度的计算值与实测值的对比。从图中可以看出,测点实测值与理论计算值都较好地吻合,最大相对误差小于5%,其中雾化冲击下温度值相差不到6℃,但图中也表现出另外一种规律,即雾化冲击后,缸盖高热密度区的实测值均比计算值要小。综合图7和图8,雾化冲击的计算值始终比实测值要小,说明传统沸腾换热的计算精度有待进一步提高。

图8 鼻梁区测点温度值对比

图9 为射流冲击高速摄影中的截图,表现在射流孔不同射流束中确实存在干涉现象,导致干涉区域无冷却液出现。而在与雾化冲击对应的图10中,冷却液雾化后液滴可进入到更小区域,因此干涉现象得到改善。为进一步揭示此处沸腾换热的传热机理,进行局部放大,如图11所示。由图可见,在极短时间内,例如10ms内所用纳米流冷却液呈现蒸发状态,且随着蒸发状态的深入使纳米粒子逐渐暴露在蒸气中。

图9 射流冲击高速摄影截图

图10 雾化冲击高速摄影截图

图11 局部扩大图

研究表明,雾滴与热源表面的换热相当复杂,包含不同的换热机制,而不同的换热机制对最终的传热系数又有较大的影响[21-24]。通过图12的照片可以看出,在纳米流冷却液雾化喷射过程中,主要出现了核态沸腾换热。

图12 对流换热区域

主要产生核态沸腾换热的原因在于,当换热表面温度超过纳米流冷却液的饱和温度时,雾滴与高温换热面经历一短期的导热过程后,使液膜与高温换热面之间发生沸腾换热,产生气泡而带走了大量的热量,且随着高温换热面温度的进一步升高,蒸发量加大,带走的热量进一步增加,最终当温度达到一定值后,液膜层将会围绕纳米粒子为核心,完全气泡化,换热量达到最大值,热流密度达临界值,此过程为核态沸腾。

图13为不同测试工况下缸盖外围不同测点的温度值。由图可见,采用雾化冲击冷却时,缸盖外围点的平均温度比另外两种冷却方式低。

缸盖温度的下降,有利于增加进气质量流量,如图14所示。由图可见,两种测试工况下,雾化冲击冷却方式下的进气质量流量分别比传统冷却方式增加约4%和8%。

图13 缸盖外围测点数据对比

图14 进气流量对比

图15 为不同冷却方式对柴油机燃油消耗率的影响。由图可见,中小转速下,不同冷却方式的燃油消耗率相差不大,提高转速后,则体现出了雾化冲击冷却的优势。其原因在于雾化冲击冷却方式有效增强了进气质量流量,增加了缸内的氧浓度,从而促进燃烧,提高燃油经济性。

图15 经济性对比

图16 和图17分别为不同冷却方式对柴油机排放的影响,排放测试针对试验用柴油机的NOx、烟度值、HC和CO。由图16可见,采用雾化冲击冷却方式时NOx和烟度值都有所降低,在绝大部分转速下的NOx排放比传统冷却方式约降低10×10-6,而烟度排放约降低11%～15%。

图16 柴油机NOx和烟度排放对比

NOx和烟度排放的降低,源于缸内新鲜充量的增加,有利于降低缸内最高燃烧温度,因此采用雾化冲击冷却方式有效降低了NOx和微粒的形成,由图17可见,采用雾化冲击冷却方式的CO排放,转速低于1 500r/min时比传统冷却方式低,转速高于1 500r/min时比传统冷却方式高,最大差别皆约25× 10-6;至于HC排放,不同冷却方式之间差别都不大。雾化冲击冷却方式的HC排放比传统冷却方式的降幅在最低转速1 000r/min时达最大值,但也不超过20×10-6;随着转速的提高,降幅逐渐减小,到最高转速2 200r/min时基本没有差别。

图17 柴油机CO和HC排放对比

4 结论

(1)本文中采用纳米粒雾化冲击冷却应对缸盖高热密度区散热难的问题,结果表明此方案对缸盖具有良好冷却的能力,且冷却较为均匀。

(2)理论研究结果表明,雾化冲击使冷却液滴在换热区域充分分散,整体换热面上换热效果较为均衡。

(3)试验研究表明,采用雾化冲击冷却时,缸盖换热面温差小于6℃,雾化冲击后沸腾换热主要呈现核态沸腾换热为主,两种测试工况下,雾化冲击冷却的进气质量流量分别比传统冷却方式增大4%和8%,NOx排放约比传统方式降低10×10-6,但在HC和CO排放方面没有呈现明显的优势。

[1] 傅松.缸盖冷却水套内沸腾传热特性的研究[D].济南:山东大学,2010:2-7.

[2] 闫理贵.缸盖内沸腾传热流固耦合模拟及其可靠性研究[D].济南:山东大学,2011:4-8.

[3] 何联格,左正兴,向建华.气缸盖冷却水腔内两相流动沸腾传热仿真研究[J].西安交通大学学报,2013,47(1):21-26.

[4] 刘国庆,舒歌群,张志福,等.考虑沸腾换热的内燃机流固耦合传热分析[J].内燃机学报,2011,29(6):543-548.

[5] 丁大伟.缸盖温度场的数值模拟及试验研究[D].济南:山东大学,2009.

[6] KIM Donghoon,HWANG Joonsik,HAN Sangwook,et al.Effects of cylinder head temperature and coolant velocity on the erosion behavior of water jacket in a diesel engine[J].Wear,2015,342(11):117-128.

[7] JOSE Jimenez-Espadafor Francisco,PALOMO Guerrero Daniel,CARVAJAL Trujillo Elisa,et al.Fully optimized energy management for propulsion,thermal cooling and auxiliaries of a serial hybrid electric vehicle[J].Applied Thermal Engineering,2015,91(12): 694-705.

[8] HUA Shiyang,HUANG Ronghua,ZHOU Pei.Numerical investigation of two-phase flow characteristics of subcooled boiling in IC engine cooling passages using a new 3D two-fluid model[J].Applied Thermal Engineering,2015,90(11):648-663.

[9] HAGHIGHI Ehsan B,UTOMO Adi T,GHANBAPOUR Morteza,et al.Combined effect of physical properties and convective heat transfer coefficient of nanofluids on their cooling efficiency[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2015,68(11):32-42.

[10] 白敏丽,张志文,吕继祖,等.流固耦合研究纳米流体在内燃机冷却水腔中的传热[J].燃烧科学与技术,2015,21(1):14-19.

[11] 赵丰鹏.纳米多孔金属铜冲击响应的分子动力学模拟研究[D].合肥:中国科学技术大学,2014.

[12] 苏忠根,郑伟.纳米流采用多孔射流强化技术加强柴油机缸盖传热的探索[J].内燃机工程,2013,34(3):61-67.

[13] PAUL Gayatri,DAS Prasanta Kumar,MANNA Indranil.Rewetting of vertical pipes by bottom flooding using nanofluid as a coolant[J].Journal of Heat Transfer-Transactions of the ASME, 2015,137(12):252-259.

[14] 郑伟,林育兹,苏忠根.交变磁场下磁纳米流冷却液强化柴油机缸盖微区域冷却[J].农业工程学报,2015,31(4):69-75.

[15] 郑伟,苏忠根,张振东,等.纳米流冷却液射流方式强化缸盖局部冷却的试验分析[J].农业工程学报,2013,29(8):69-77.

[16] 郑伟,张振东.纳米流以射流冲击方式对柴油机缸盖的冷却研究[J].内燃机工程,2012,33(6):83-86.

[17] 林育兹,郑伟,苏忠根.柴油机缸盖微区域高效节能化冷却研究[J].内燃机工程,2015,36(3):92-99.

[18] 郭永献.喷雾液膜流动理论及电子器件喷雾冷却实验研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[19] 钱丽娟.雾化射流场中粒子运动和传热特性的研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[20] ZACARIAS A,VENEGAS M,LECUONA A,et al.Experimental assessment of vapour adiabatic absorption into solution droplets using a full cone nozzle[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2015,68(11):228-238.

[21] DE OLIVEIRA Pablo A,BARBOSA Jader R,et al.Thermal design of a spray-based heat sink integrated with a compact vapor compression cooling system for removal of high heat fluxes[J]. Heat Transfer Engineering,2015,36(14-15):1203-1217.

[22] MOITA A S,HERRMANN D,MOREIRA A L N.Fluid dynamic and heat transfer processes between solid surfaces and non-newtonian liquid droplets[J].Applied Thermal Engineering,2015,88(9):33-46.

[23] YANG Zili,LIN Beibei,ZHANG Kaisheng,et al.Experimental study on mass transfer performances of the ultrasonic atomization liquid desiccant dehumidification system[J].Energy and Buildings,2015,93(4):126-136.

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

*国家自然科学基金(51366006)、福建省自然科学基金(2015J01223)、福建省高校新世纪优秀人才支持计划(2015年度)和福建省中青年教师教育科研项目(JA15612)资助。

原稿收到日期为2016年1月4日,修改稿收到日期为2016年3月9日。

郑伟,博士,副教授,E-mail:andyzeen@163.com。