纳米流体强化内燃机活塞冷却油腔传热的基础研究

摘要

随着发动机强化程度的不断提高，活塞承受的热负荷急剧增加。单纯增大或改进活塞振荡冷却油腔的结构，已经不能满足一些工况下的散热需求，因此需要选择一种换热性能更好的冷却工质。纳米流体具有十分优异的传热特性，如果能够将其作为振荡冷却油腔的工作介质，则可以有效降低活塞的整体温度。然而在流动切向往复振荡作用下，冷却油腔内部的机油和空气形成的气液两相混合物，与壁面冲击传热的过程十分复杂。涉及到气液两相流体的撞击、分离、再附着等振荡混合过程，其机理还没有完全搞清楚。现阶段还没有一套较为完整的理论，对这种状态下气液两相流的流动与传热过程进行准确地描述。当采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后，此时的气液两相流（空气和机油）变成了固气液三相流（纳米颗粒、空气、机油），流动与换热过程更加复杂，从而限制了纳米流体在活塞冷却油腔中的应用。 为此，有必要对纳米流体常规条件下的流动与传热特性进行深入探索，通过基础研究来揭示纳米流体强化传热的物理机制，完善纳米流体的数学物理模型。在此基础上，进一步考察冲击射流和往复振荡条件下，纳米流体的流动与传热特性，最后再将其应用于活塞振荡冷却油腔的散热过程。本文采用实验与数值模拟相结合的手段对纳米流体进行研究，从微流动的角度解释了纳米流体强化换热的物理机制，解决了纳米流体强化活塞冷却油腔传热的基础问题，丰富了往复振荡条件下气液两相流以及固气液三相流强化传热的理论体系，具有较为重要的理论研究意义和工程实际应用价值。具体的研究工作如下: 1.从固液两相的动量守恒方程出发，推导了适用于纳米颗粒的虚拟粘度模型。该模型精度明显好于基于高浓度、大尺度粒子流的经验公式和基于分子运动论的推导公式，可以为纳米流体的Eulerian模型提供参考;2.通过比较不同模型，考察了纳米流体的湍流流动特性。结果表明:除了物性参数的改变外，相间的速度滑移所引起的脉动速度、雷诺应力和小尺度涡量的增加，以及纳米颗粒的迁移效应所引起的物性参数随空间的非均匀性分布，也是纳米流体强化传热的重要因素;3.考察了不同喷射距离条件下，纳米流体的射流冲击换热特性。探讨了不同湍流模型、壁面函数和多相流模型的预测能力，分析了纳米颗粒加入后对基础流场的影响;4.建立了与流动方向垂直的往复振荡作用下，气液两相流（空气+基础流体）和固气液三相流（纳米颗粒+空气+基础流体）在活塞冷却油腔内部与壁面传热的数理模型。发现壁面剪切应力、流体平均速度和纳米颗粒浓度共同决定了振荡过程的换热效果。并定量提出了往复振荡条件下，强化换热的判定准则;5.将纳米流体应用于实际内燃机活塞的散热过程，研究了不同种类、不同浓度纳米流体在冷却油腔内部的瞬时流动和换热特性。采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后，可以有效降低活塞的整体热负荷。以体积分数为1％和2％的铜-机油纳米流体为例，相对于传统机油，一个振荡周期内的平均对流换热系数分别提高了24.93％和35.79％。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 纳米流体强化强迫对流换热的实验研究进展

1．2．2 纳米流体强化强迫对流换热的数值模拟研究进展

1．2．3 纳米流体强化冲击射流换热的研究进展

1．2．4 纳米流体强化活塞冷却油腔往复振荡冲击换热的研究进展

1．3 当前研究中存在的问题与不足

1．4 本文的主要研究思路与内容

2 多相流体的数学物理模型

2．1 纳米流体的数学物理模型

2．1．1 单相流模型

2．1．2 Mixture多相流模型

2．1．3 Eulerian多相流模型

2．1．4 RANS-Lagrange多相流模型

2．1．5 LES-Lagrange多相流模型

2．2 Eulerian多相流模型中纳米颗粒虚拟粘度的确定

2．3 相间界面追踪模型

2．4 本章小结

3 纳米流体湍流流动特性的数值模拟研究

3．1 单相流模型、Mixture模型、Eulerian模型和RANS-Lagrange模型的数值模拟结果及分析

3．1．1 几何模型及网格划分

3．1．2 边界条件

3．1．3 网格无关性验证

3．1．4 纳米颗粒虚拟粘度模型的验证

3．1．5 不同模型的数值模拟结果及分析

3．1．6 纳米颗粒的加入对基础流场的影响

3．1．7 相间作用力对流场的影响

3．2 LES-Lagrange模型的数值模拟结果及分析

3．2．1 几何模型及网格划分

3．2．2 边界条件

3．2．3 模型验证

3．2．4 纳米颗粒对基础流场影响的进一步分析

3．2．5 纳米颗粒的粒径和种类对基础流场的影响

3．3 纳米流体不同数学物理模型的进一步验证

3．3．1 纳米流体在波壁管内的流动特性

3．3．2 纳米流体在槽道内的流动特性

3．4 本章小结

4 纳米流体冲击射流特性的数值模拟研究

4．1 单相流体冲击射流的数值模拟研究

4．1．1 几何模型

4．1．2 边界条件

4．1．3 网格无关性验证

4．1．4 k-ε和k-ω湍流模型的验证

4．1．5 低雷诺数湍流模型的验证

4．1．6 多方程湍流模型的验证

4．1．7 壁面函数的验证

4．2 纳米流体冲击射流的数值模拟研究

4．2．1 几何模型

4．2．2 边界条件

4．2．3 物性参数的影响

4．2．4 多相流模型的验证

4．3 纳米颗粒的加入对基础流场的影响

4．4 本章小结

5 纳米流体往复振荡冲击特性的实验与数值模拟研究

5．1 气液两相流(空气+纯水)往复振荡特性的可视化实验

5．1．1 实验装置

5．1．2 转速的影响

5．1．3 充液率的影响

5．2 气液两相流(空气+纯水)往复振荡特性的数值模拟

5．2．1 网格划分及边界条件

5．2．2 数值模拟结果及分析

5．3 气液两相流(空气+纯水)往复振荡条件下换热强弱的判定准则

5．4 固气液三相流(纳米颗粒+空气+纯水)往复振荡特性的可视化实验

5．4．1 实验装置

5．4．2 转速的影响

5．4．3 充液率的影响

5．4．4 纳米流体浓度的影响

5．5 固气液三相流(纳米颗粒+空气+纯水)往复振荡特性的数值模拟

5．5．1 网格划分及边界条件

5．5．2 数值模拟结果及分析

5．6 固气液三相流(纳米颗粒+空气+纯水)往复振荡条件下换热强弱的判定准则

5．7 本章小结

6 纳米流体应用于活塞冷却油腔的数值模拟研究

6．1 几何模型

6．2 边界条件及网格划分

6．3 网格无关性验证

6．4 传统机油在冷却油腔内部的换热过程

6．4．1 不同多相流模型的比较

6．4．2 活塞转速和机油喷射速度对换热过程的影响

6．5 纳米流体在冷却油腔内部的换热过程

6．5．1 机油填充率随曲轴转角的变化规律

6．5．2 壁面对流换热系数随曲轴转角的变化规律

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介