鄭 偉
(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)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(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院,漳州 363105)
為進(jìn)一步提升柴油機(jī)缸蓋鼻梁區(qū)散熱能力且解決多孔射流沖擊下的干涉問(wèn)題,提出了采用納米流冷卻液霧化沖擊冷卻方案,利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算、高速攝影和柴油機(jī)臺(tái)架綜合測(cè)試研究了不同冷卻方案對(duì)缸蓋高熱密度區(qū)換熱效果和柴油機(jī)工作性能的影響。結(jié)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(shí)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(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量,在兩種測(cè)試工況下,比傳統(tǒng)冷卻方式分別增加4%和8%。同時(shí)使NOx和煙度排放分別下降10× 10-6和11% ~15%。
柴油機(jī);缸蓋;納米流;霧化沖擊冷卻;沸騰換熱;試驗(yàn)研究
柴油機(jī)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(nèi)流動(dòng),與其受熱特征剛好相反[8]。納米流冷卻液在內(nèi)燃機(jī)冷卻中的應(yīng)用已經(jīng)受到研究人員的高度關(guān)注[9],先前的研究中提出將局部散熱能力強(qiáng)的射流沖擊技術(shù)與導(dǎo)熱性能好的納米流相結(jié)合,并應(yīng)用于缸蓋高熱密度區(qū)的傳熱中,結(jié)果表明,在適當(dāng)技術(shù)參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(wèn)題[10-17]。霧化沖擊由于節(jié)能高效,在傳熱領(lǐng)域有著廣泛的研究基礎(chǔ),且霧化噴射后液滴可比傳統(tǒng)方式更容易進(jìn)入狹小區(qū)域[18-19]。目前,納米流冷卻液以霧化沖擊方式對(duì)柴油機(jī)缸蓋工作性能影響的研究,鮮有報(bào)道。
為此本文中在帶有一套分體式冷卻系統(tǒng)的柴油機(jī)上進(jìn)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(duì)測(cè)點(diǎn)溫度和傳熱面換熱情況的理論和試驗(yàn)研究,試圖尋找適應(yīng)柴油機(jī)缸蓋高熱密度區(qū)的最佳散熱方案,以期在柴油機(jī)不均勻受熱情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化冷卻。
根據(jù)研究技術(shù)路線,試驗(yàn)分為強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)、沸騰換熱可視化試驗(yàn)和柴油機(jī)工作性能試驗(yàn)。其中強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)(示意圖如圖1所示)的目的主要對(duì)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(jī)高熱密度區(qū)換熱面的傳熱性能;沸騰換熱可視化試驗(yàn)的主要目的是揭示霧化沖擊下沸騰換熱傳熱的機(jī)理;而柴油機(jī)工作性能試驗(yàn)的主要目的是對(duì)比3種冷卻方式對(duì)柴油機(jī)工作性能的影響。
圖1 強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)示意圖
通過(guò)傳熱試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行強(qiáng)化傳熱試驗(yàn),對(duì)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(guò)程如圖2所示,其體積分?jǐn)?shù)為3%,密度為1 223.3kg/m3,沸點(diǎn)為129℃,形成的混合液為白色乳膠狀。試驗(yàn)中流體流動(dòng)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(guò)程
圖3 缸蓋強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)示意圖
如圖3(a)所示,分別準(zhǔn)備3個(gè)缸蓋,其中1個(gè)為原機(jī)缸蓋,其余2個(gè)對(duì)缸蓋進(jìn)行切割,并安裝射流沖擊裝置和霧化噴射裝置,進(jìn)行在3種冷卻方式下的強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)。為達(dá)到柴油機(jī)實(shí)際工作時(shí)缸內(nèi)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(cè)試過(guò)程中,在缸蓋的16個(gè)測(cè)點(diǎn)上貼感溫片,測(cè)點(diǎn)位置及其標(biāo)號(hào)如圖4所示,包括內(nèi)部(高熱密度區(qū))8個(gè)測(cè)點(diǎn)(帶小方框標(biāo)記)和外圍8個(gè)測(cè)點(diǎn)(帶星形標(biāo)記)。
圖4 缸蓋測(cè)試位置示意圖
沸騰換熱可視化試驗(yàn)通過(guò)高速攝影裝置結(jié)合缸蓋內(nèi)部改造實(shí)現(xiàn),如圖5和圖6所示,將缸蓋進(jìn)行切割,留出一個(gè)側(cè)面安裝耐高溫玻璃,同時(shí)在內(nèi)部安裝兩個(gè)貼片LED光源,所采用的攝影設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。
圖5 高速攝影試驗(yàn)裝置布置
圖6 缸蓋檢測(cè)圖
表1 攝影儀技術(shù)參數(shù)
柴油機(jī)工作性能試驗(yàn)測(cè)試傳統(tǒng)冷卻、射流沖擊和霧化沖擊3種方式對(duì)柴油機(jī)工作性能的影響,其中經(jīng)濟(jì)性對(duì)比柴油機(jī)運(yùn)行在外特性處的燃油消耗率;排放性能對(duì)比NOx、煙度、HC和CO排放值;進(jìn)氣流量對(duì)比在兩種測(cè)試工況下3種冷卻方案時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量的差異;試驗(yàn)過(guò)程中所用燃油均為0#柴油,實(shí)驗(yàn)室條件、柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)和潤(rùn)滑油等均符合GB 17691—2005的相關(guān)規(guī)定,被測(cè)柴油機(jī)工作性能參數(shù)和臺(tái)架測(cè)試設(shè)備型號(hào)如表2和表3所示。
表2 試驗(yàn)用柴油機(jī)工作性能參數(shù)
表3 臺(tái)架測(cè)試設(shè)備
文獻(xiàn)[12]中研究表明,單射流沖擊方式會(huì)出現(xiàn)局部傳熱系數(shù)差距大的問(wèn)題,多孔射流會(huì)存在不同射流束的干涉問(wèn)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(wèn)題簡(jiǎn)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(dòng)區(qū)域,將左右兩側(cè)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(shè)為1.5mm,網(wǎng)格劃分采用正方向網(wǎng)格,射流時(shí)流速設(shè)為3.4m/s。計(jì)算過(guò)程中,選用沸騰換熱計(jì)算模型[20]。
3.1 理論計(jì)算對(duì)比
理論計(jì)算過(guò)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(cè)冷卻效果很差,最大溫差接近85℃;由圖8(b)可見(jiàn),在雙孔射流沖擊下,由于不同射流束之間的干涉導(dǎo)致某些區(qū)域出現(xiàn)了溫度接近380℃的高溫點(diǎn);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(gè)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(yàn)數(shù)值對(duì)比
圖8為柴油機(jī)運(yùn)行在最大負(fù)荷工況和標(biāo)定工況點(diǎn)下,測(cè)點(diǎn)溫度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。從圖中可以看出,測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值都較好地吻合,最大相對(duì)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(shí)測(cè)值均比計(jì)算值要小。綜合圖7和圖8,霧化沖擊的計(jì)算值始終比實(shí)測(cè)值要小,說(shuō)明傳統(tǒng)沸騰換熱的計(jì)算精度有待進(jìn)一步提高。
圖8 鼻梁區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度值對(duì)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(shí)存在干涉現(xiàn)象,導(dǎo)致干涉區(qū)域無(wú)冷卻液出現(xiàn)。而在與霧化沖擊對(duì)應(yīng)的圖10中,冷卻液霧化后液滴可進(jìn)入到更小區(qū)域,因此干涉現(xiàn)象得到改善。為進(jìn)一步揭示此處沸騰換熱的傳熱機(jī)理,進(jìn)行局部放大,如圖11所示。由圖可見(jiàn),在極短時(shí)間內(nèi),例如10ms內(nèi)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(kuò)大圖
研究表明,霧滴與熱源表面的換熱相當(dāng)復(fù)雜,包含不同的換熱機(jī)制,而不同的換熱機(jī)制對(duì)最終的傳熱系數(shù)又有較大的影響[21-24]。通過(guò)圖12的照片可以看出,在納米流冷卻液霧化噴射過(guò)程中,主要出現(xiàn)了核態(tài)沸騰換熱。
圖12 對(duì)流換熱區(qū)域
主要產(chǎn)生核態(tài)沸騰換熱的原因在于,當(dāng)換熱表面溫度超過(guò)納米流冷卻液的飽和溫度時(shí),霧滴與高溫?fù)Q熱面經(jīng)歷一短期的導(dǎo)熱過(guò)程后,使液膜與高溫?fù)Q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?fù)Q熱面溫度的進(jìn)一步升高,蒸發(fā)量加大,帶走的熱量進(jìn)一步增加,最終當(dāng)溫度達(dá)到一定值后,液膜層將會(huì)圍繞納米粒子為核心,完全氣泡化,換熱量達(dá)到最大值,熱流密度達(dá)臨界值,此過(guò)程為核態(tài)沸騰。
圖13為不同測(cè)試工況下缸蓋外圍不同測(cè)點(diǎn)的溫度值。由圖可見(jiàn),采用霧化沖擊冷卻時(shí),缸蓋外圍點(diǎn)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(jìn)氣質(zhì)量流量,如圖14所示。由圖可見(jiàn),兩種測(cè)試工況下,霧化沖擊冷卻方式下的進(jìn)氣質(zhì)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比
圖14 進(jìn)氣流量對(duì)比
圖15 為不同冷卻方式對(duì)柴油機(jī)燃油消耗率的影響。由圖可見(jiàn),中小轉(zhuǎn)速下,不同冷卻方式的燃油消耗率相差不大,提高轉(zhuǎn)速后,則體現(xiàn)出了霧化沖擊冷卻的優(yōu)勢(shì)。其原因在于霧化沖擊冷卻方式有效增強(qiáng)了進(jìn)氣質(zhì)量流量,增加了缸內(nèi)的氧濃度,從而促進(jìn)燃燒,提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
圖15 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
圖16 和圖17分別為不同冷卻方式對(duì)柴油機(jī)排放的影響,排放測(cè)試針對(duì)試驗(yàn)用柴油機(jī)的NOx、煙度值、HC和CO。由圖16可見(jiàn),采用霧化沖擊冷卻方式時(shí)NOx和煙度值都有所降低,在絕大部分轉(zhuǎn)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(jī)NOx和煙度排放對(duì)比
NOx和煙度排放的降低,源于缸內(nèi)新鮮充量的增加,有利于降低缸內(nèi)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(jiàn),采用霧化沖擊冷卻方式的CO排放,轉(zhuǎn)速低于1 500r/min時(shí)比傳統(tǒng)冷卻方式低,轉(zhuǎn)速高于1 500r/min時(shí)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(zhuǎn)速1 000r/min時(shí)達(dá)最大值,但也不超過(guò)20×10-6;隨著轉(zhuǎn)速的提高,降幅逐漸減小,到最高轉(zhuǎn)速2 200r/min時(shí)基本沒(méi)有差別。
圖17 柴油機(jī)CO和HC排放對(duì)比
(1)本文中采用納米粒霧化沖擊冷卻應(yīng)對(duì)缸蓋高熱密度區(qū)散熱難的問(wèn)題,結(jié)果表明此方案對(duì)缸蓋具有良好冷卻的能力,且冷卻較為均勻。
(2)理論研究結(jié)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(yàn)研究表明,采用霧化沖擊冷卻時(shí),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(cè)試工況下,霧化沖擊冷卻的進(jìn)氣質(zhì)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(méi)有呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)。
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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(guó)家自然科學(xué)基金(51366006)、福建省自然科學(xué)基金(2015J01223)、福建省高校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(2015年度)和福建省中青年教師教育科研項(xiàng)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。