发动机水套中沸腾传热的试验与仿真研究

发动机水套中沸腾传热的试验与仿真研究

张俊红;赵永欢;徐喆轩;胡欢;王杰;马梁

【摘要】为了更加准确地研究发动机水套内冷却液流动传热问题,在 Mixture 多相流基础上建立了一套适用于发动机水套沸腾传热的气液两相流模型.以某直列4缸汽油机为研究对象,通过试验对汽油机第4缸火力面温度进行测量,两相流与传统单相流模拟结果对比表明两相流准确性更高.在两相流模拟结果基础上找出了汽油机水套壁面高温危险区,并基于发动机水套的设计要求提出了优化方案.模拟结果表明:优化后水套内冷却液的流动与冷却更加均匀,水套壁面温度明显降低,传热效果得到了提升.本研究可为以后的发动机沸腾传热研究和冷却水套设计提供参考.%In order to accurately study the heat transfer problem of the coolant flow in the engine water jacket,a gas-liquid two-phase flow model suitable for the boiling heat transfer in the engine water jacket was established on the basis of the mixture multiphase flow model.The temperature of the fourth cylinder's fire surface was measured by a certain four cylinder gasoline engine,and the high accuracy of the two-phase flow simulation was verified compared with the traditional single-phase flow simulation.On this basis,the high temperature danger zone of the water jacket wall was found out,and the optimization scheme was proposed according to the design requirements of the engine water j acket.Results show that after optimization,the coolant flow and cooling are more uniform,the wall temperature of the water jacket is decreased and the heat transfer effect is also improved,which provides a reference for the future research on engine boiling heat transfer and the design of cooling water j acket.

【期刊名称】《内燃机工程》

【年(卷),期】2018(039)001

【总页数】7页(P42-48)

【关键词】发动机水套;沸腾传热;两相流;模拟仿真;优化设计

【作者】张俊红;赵永欢;徐喆轩;胡欢;王杰;马梁

【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350;天津大学仁爱学院机械工程系,天津301636;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300350

【正文语种】中文

【中图分类】TK412+.2

0 概述

目前发动机强化程度越来越高，其冷却液的流动与传热备受发动机开发者的关注。机内冷却液的流动传热问题不仅影响到发动机冷却效率、高温部件的热负荷、热量分配和能量利用，对于多缸高强化发动机来说还会影响到各缸冷却均匀性、充气效率、传热和污染物生成[1]。高强化的多缸发动机水套内冷却液的传热类型不止一种情况[2]：冷却水套内大部分区域并未达到发生相变的条件，在这些区域传热仍以对流方式为主；在壁面温度较高的区域(如排气门鼻梁区和缸体顶部位置)，由于热流量较大，水套壁面温度达到了发生沸腾的条件从而发生过冷沸腾现象[3]。在

这些高温区域，机械和热负荷较高，缸体水套由于内部冷却液流动和冷却均匀性变差发生热变形，气缸盖密封性也会被破坏，这些都会影响到汽油机的动力性、经济性和工作可靠性[4]。

目前，对发动机水套内部冷却液的流动传热研究，工程中大部分仍采用单相对流传热模型。近年来，为了更加精确地计算、设计和优化研究，陆续有学者选取单缸[5]或缸盖几何模型进行多相流模型的初步计算。

本文以某直列4缸汽油机为研究对象，在Fluent软件中采用混合两相流模型来模拟水套内冷却液的流动传热。从水套壁面温度场和内部冷却液速度场出发，综合分析水套系统的整体冷却效果；并找出其中易产生第二相的区域，研究第二相对系统传热效果的影响；最后基于发动机水套设计要求提出优化方案,可为后续发动机水

套系统的过冷沸腾传热研究提供参考。

1 基础理论

1.1 流固耦合

流固耦合即将流体边界与固体边界结合起来进行热传递计算，计算的关键是实现流、固交界处热量传递的数学描述[6]。在耦合处，流体吸收的热量等于固体传递的热

量[7]，可用公式(1)来描述：

(1)

式中，Kn为固体的导热系数，W/(m·K)；qc为热流密度，J/(m2·s)；h为对流传

热系数，W/(m2·K)；Tl和Tw分别为流体和壁面温度，K。

1.2 两相流沸腾传热模型

1.2.1 沸腾传热机理

对于发动机水套内冷却液流动来说，如图1所示[8]，在未饱和状态下，固体壁面

吸收的全部热量Q先传递给临近壁面的热流体边界层，这些热量分为用来加热未