缸盖鼻梁区沸腾汽泡演化行为可视化试验研究

龚伟（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

缸盖鼻梁区沸腾汽泡演化行为可视化试验研究

龚伟
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

以某增压柴油机为研究对象，搭建了气缸盖鼻梁区内沸腾汽泡演化行为可视化试验平台，拍摄标定工况下鼻梁区域内汽泡成长、滑移、聚合等行为，开展了缸盖水腔内沸腾换热和汽泡演化行为特性的研究。研究结果表明，在成长开始阶段，汽泡成长平均直径的增长速度比较快，然后逐渐下降且有着稳定的趋势。在不同曲轴转角下，汽泡当量直径分布符合正态分布规律，且汽泡的聚合现象越多对整体汽泡行为的随机性影响就越强烈。

柴油机鼻梁区沸腾换热可视化实验演化行为

1 前言

“高效节能，超低排放”已成为当代内燃机技术研究的主题，诸多新型的技术如分层进气、快速燃烧、废气再循环等在内燃机中逐步得到应用，促使内燃机不断朝着高强化、高功率密度方向发展，这必然造成了更大的零部件发热率和局部的高热负荷[1-2]。为解决局部高热流密度空间的散热冷却问题，探寻实现内燃机冷却系统高效冷却、可控冷却和精确冷却的换热模式成为学者们研究和攻克的重点[3-4]。

沸腾换热作为一种高效的冷却换热方式具有众多的优越性，例如换热效率高、温度均匀性好、冷却系统体积小和热应力小等[5-6]。近年来，研究焦点主要在沸腾换热的基础性试验和内燃机水腔内沸腾换热的存在性验证等方面，所测量的参数多为温度、压力等宏观量，而对汽泡的成长、滑移和聚合等行为及微观参数的可视化试验还未见有报道[7-8]。

本文以某增压柴油机为研究对象，选取水腔内部热负荷较高、容易产生沸腾现象的鼻梁区域作为可视化观察区域，运用高速摄影可视化技术，对该区域内沸腾汽泡的演化行为进行拍摄。结合可视化图像和理论分析，探究了汽泡演化行为的特性及其对沸腾换热效率影响的机理，为解决沸腾换热在内燃机冷却系统中应用与控制的难题，保证沸腾处于高效的核态沸腾换热模式等具有指导性的意义。

2 内燃机缸盖水腔内沸腾换热的特性

在不同的热负荷状况下，沸腾现象主要包括对流换热、核态沸腾换热、过渡沸腾换热和膜态沸腾换热，如图1所示。热流密度q随壁面过热度ΔTW变化的曲线。诸多研究表明，内燃机缸盖水腔内发生的沸腾换热现象主要为过冷流动沸腾换热，即图中B和D点之间的阶段。B点是核态沸腾的起点，因为冷却流体的主流温度尚未达到饱和温度，壁面上产生的汽泡附着在上面或在脱离壁面后进入冷却流体的主流区产生汽泡凝结现象，故BC段称为部分过冷沸腾区。热流密度值较高的CD段为充分发展过冷沸腾区，随着过热度的增加，受热壁面会被汽泡全部覆盖。汽泡生成和脱离的频率会增加，汽泡之间相互作用产生的聚合现象也增加[9-10]。

图1 热流密度q随壁面过热度ΔTW变化的曲线

3可视化试验系统与方案

3.1 试验用发动机主要参数

试验所用发动机为一款高强化增压直列式四缸柴油机，其冷却系统采用水冷式，主要技术参数见表1。

3.2 试验系统简介及布置

整个试验系统是一个循环封闭系统，主要包括恒温水箱、电动水泵、节流阀、涡轮流量计、内窥镜高速摄像装置、试验用发动机、温度传感器、温度和图像采集系统以及计算机等。内窥镜高速摄像装置主要由CCD高速数字相机、内窥镜、图像采集卡、内窥镜光源、角标仪等组成。图2为可视化试验台架系统的局部图。

为实现多角度可视化观察，在缸盖后端第四缸顶部和排气侧原清沙孔处，分别加工出2个相同的光学通道孔1和2，故内窥镜和光源在气缸盖上安装位置是可以互换的，即对鼻梁区域可视化拍摄具有2种视角，如图3所示。

表1 研究柴油机主要技术参数

图2 可视化试验台架系统局部图

图3 可视化拍摄的视角

3.3 试验方案

在发动机磨合过程中，对高速摄影系统的内窥镜及光源镜头规格进行组合选择，并对拍摄参数进行初步调试，以便得到最佳的拍摄效果。最终选取的高速摄影曝光速率为10 kHz，曝光时间为300 μs，拍摄间隔为5℃A，拍摄持续期为2个发动机循环，图像分辨率为640×480像素。

为排除其它因素产生汽泡对试验的干扰，在启动发动机前，先运行电动水泵，调节流量控制阀，使冷却流量为标定工况的实际流量，运转一段时间后进行拍摄，如图4所示。由图中可见，除了一些细小悬浮物外并没有汽泡。

图4 内燃机运行前的图像

试验工况为标定工况，冷却水温度控制在60℃，冷却流量为标定工况流量，进行缸盖鼻梁区内可视化试验。

3.4 可视化图像标定

选取内窥镜光源为参考实物，然后运用Image-Pro Plus图像处理软件对图像中的内窥镜光源长度进行标定，如图5所示，图中“H”形状的标定尺长度代表26个像素，而其实际的长度为5mm。

图5 内窥镜光源长度标定

4 试验结果与分析

运用VisioScope软件对标定工况可视化试验所获得的图像进行观察，在鼻梁区域内汽泡演化行为刚出现时就对其进行追踪，以5℃A为间隔，选取拍摄连续20℃A内鼻梁区域汽泡成长、滑移、聚合等行为的图像进行分析。

4.1 汽泡成长行为分析

通过对比拍摄的图像，选取光学通道2处的视角，对鼻梁区域的汽泡成长行为进行观察。为进一步分析汽泡成长过程中的规律，在每个曲轴转角下选取受热壁面上10个正在成长中的典型汽泡进行定量分析，并对这10个汽泡进行标记，所得汽泡成长行为图像及标记如图6所示。

图6 汽泡成长行为

采用Image-Pro Plus图像处理软件测量了各个可视化图片中标记汽泡的直径，对每个汽泡进行3次测量，取平均值作为其直径。然后计算得到每个图片中所有标记汽泡成长的平均直径，所得汽泡成长随曲轴转角变化的规律如图7所示。对图中汽泡变化进行分析可以得到，在曲轴转角增大时，汽泡成长平均直径也逐渐增大。在0℃A～5℃A之间内，汽泡成长的平均直径增长速度呈现比较快的趋势，而在5℃A之后，汽泡成长的平均直径增长速度逐渐下降，且有着稳定的趋势。

4.2 汽泡滑移行为分析

通过拍摄对比选取光学通道1处的视角对鼻梁区域的汽泡滑移行为进行观察，所得汽泡滑移行为图像如图8所示。

在10℃A时，可视化视野中出现了从下游滑移来的汽泡。为了定量分析汽泡滑移过程中的运动特性，采用Image-Pro Plus图像处理软件获得了汽泡的滑移距离。在10℃A～20℃A之间，图中左侧a汽泡先从位置a1滑移至a2，然后滑移至a3。滑动距离分别为2.57mm和4.26mm。右侧b汽泡从位置b1滑移到b2，又滑移至b3，滑动距离分别为6.34mm和1.41mm。根据可视化拍摄间隔，可计算出a汽泡滑移速度分别为0.051 4m/s和0.085 2 m/s，滑移速度增长表明汽泡处于汽泡滑移的加速阶段；b汽泡的滑移速度分别为0.126 8 m/s和0.028 2m/s，滑移速度减小表明滑移汽泡的受力状况产生了变化，使其受到的阻力不断增大。

4.3 汽泡聚合行为分析

通过对比拍摄的图像，选取光学通道2处的视角，对鼻梁区域的汽泡聚合行为进行观察。所得汽泡聚合行为如图9所示。

图7 汽泡成长随曲轴转角变化规律

图8 汽泡滑移行为

图9 汽泡聚合行为

在0℃A时，“鼻梁区域”受热壁面上出现了一些由数个汽泡结合的汽泡团，如图中白色圆圈所示。当5℃A时，可视化视野中出现许多聚合后形成的大汽泡，如图中白色圆圈所示。t=10℃A时，汽泡的数目不断增多，这使得新生成的汽泡在成长中或者成长结束时与汽泡团聚合直接形成更大的汽泡团。在t=15℃A和20℃A时，汽泡间相互扰动越来越剧烈，小汽泡不断地聚合为大汽泡。同时，汽泡团仍然会和周围的小汽泡产生聚合行为，汽泡团的体积也持续地增大。

为了定量分析汽泡聚合过程中的规律，采用Image-Pro Plus图像处理软件，在每个曲轴转角下对视野中的沸腾汽泡特征参量进行测量与统计。首先测量汽泡的大小，由于汽泡聚合行为的影响，观察到许多汽泡的形态并不规则，聚合过程中或聚合后的汽泡大多呈现为椭球形，甚至有些聚合汽泡间的轮廓较模糊，故本文采用同样面积下圆形汽泡的当量直径作为汽泡的尺寸大小。在测量过程中，忽略一些尺寸较小且亮度较暗的汽泡。汽泡当量直径D=4S/π，S为汽泡的面积。

沸腾汽泡受到汽泡之间聚合行为的影响，使得汽泡行为朝着不稳定的方向偏离，即呈现出一定的随机性。为研究汽泡聚合行为对整体汽泡演化行为的影响规律，进一步获得整体汽泡演化行为的随机性。在不同的曲轴转角下，对视野中不同当量直径的汽泡数量进行统计，获得的汽泡当量直径分布情况如图10所示。由各个曲轴转角下汽泡当量直径分布的拟合曲线确定系数均值为98.72%，以及由图形的趋势分析得知，汽泡当量直径分布在不同曲轴转角下符合正态分布规律。拟合曲线的分散尺度参数σ越大，代表聚合形成大尺寸的汽泡数量越多。由拟合结果得知，当曲轴转角增加时，汽泡当量直径的分散尺度参数σ也增加。在20℃A时σ达到最大值0.56，汽泡当量直径分布波动的程度最为剧烈，表明汽泡的聚合现象越多对整体汽泡行为的随机性影响就越强烈。

5 结论

（1）在标定工况下，拍摄得到缸盖鼻梁区域沸腾汽泡的成长、滑移和聚合行为图像。由汽泡成长特性分析得知，开始阶段汽泡成长平均直径的增长速度比较快，然后逐渐下降且有着稳定的趋势。

（2）由2个典型汽泡运动特性的分析结果可知，处于加速滑移阶段的汽泡，其滑移速度从0.051 4m/s增加至0.085 2m/s。而另一个汽泡受力状况产生了变化，滑移速度从0.126 8m/s下降至0.028 2m/s。

（3）从汽泡随机特性分析结果得知，汽泡当量直径分布在不同曲轴转角下符合正态分布规律，且汽泡的聚合现象越多对整体汽泡行为的随机性影响就越强烈。

图10 汽泡当量直径分布

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Visualization ExperimentalStudy on Evolution BehaviorofBoiling Bubble in Bridge ZoneofCylinder Head ofDieselEngine

Gong Wei
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

In this paper,regarding a type of turbocharged diesel engine as the research object,the arrangement and construction of visualization experiment platform relating the boiling bubble evolution behavior in the bridge zone of the cylinder head were completed.In the experiment,shooting the bubble behavior ofgrowth,slip and coalescent in the bridge zone at the rated condition,the research aboutboiling heat transfer and characteristic of bubble evolution behavior in cooling water jacket of cylinder head was conducted.The experimental results show that during the beginning period of growth,the growth rate of average diameterof the bubblewas relatively fast,then itbecame slow and had a trend ofstable.In different crank angles,the distribution ofbubble diameterwas conformed tonormaldistribution,and themore bubble coalescentphenomenon,themore strong influenceon randomnessof theoverallbubblebehavior.

engine,bridge zone,visualization experiment,evolution behavior

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.002

来稿日期：2017-05-02

龚伟（1989-），男，硕士，主要研究方向为内燃机流动传热。