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基于气泡的缸盖水腔沸腾传热仿真研究

北京理工大学学报 2014年第11期34卷 1114-1119页

作者：张体恩张卫正宋立业曹元福原彦鹏北京理工大学机械与车辆学院北京100081 中国北方车辆研究所北京100072

从气泡核化条件及沸腾起始点要求出发,提出相变判定条件,从而准确界定沸腾区域.基于沸腾均相流计算模型框架,建立了沸腾传热数值计算模型,并利用Robinson实验数据对该计算模型的准确性进行了校核.利用该数值模型对缸盖温度场进行了预测... 详细信息

从气泡核化条件及沸腾起始点要求出发,提出相变判定条件,从而准确界定沸腾区域.基于沸腾均相流计算模型框架,建立了沸腾传热数值计算模型,并利用Robinson实验数据对该计算模型的准确性进行了校核.利用该数值模型对缸盖温度场进行了预测,与实机测温结果进行实验比对,证明新沸腾数值模型计算结果更接近实机测试温度,火力面测点最大误差不超过7%.

关键词：沸腾传热缸盖水腔气泡相变

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高强化柴油机缸盖水腔过冷沸腾数值模型研究

内燃机工程 2014年第6期35卷 78-83页

作者：谷芳吴华杰崔国起天津大学内燃机研究所天津300072

建立了以VOF(volume of fluid)两相流模型为基础的过冷沸腾传热模型,总传热量分为强制对流传热和泡核沸腾传热两部分。采用UDF方法(user-define function)将过冷流动沸腾中的蒸发和冷凝过程嵌入到FLUENT仿真软件中。T型管传热试验结果表... 详细信息

建立了以VOF(volume of fluid)两相流模型为基础的过冷沸腾传热模型,总传热量分为强制对流传热和泡核沸腾传热两部分。采用UDF方法(user-define function)将过冷流动沸腾中的蒸发和冷凝过程嵌入到FLUENT仿真软件中。T型管传热试验结果表明:在高壁面过热度下,模型的计算误差在5%以内。某实际缸盖的应用结果表明:模型仿真结果与试验值之间有较好的一致性,对缸盖火力面八个关键点温度的预测平均误差仅为1.23%。与单相流模型对比结果表明:若只考虑强制对流传热,则会高估缸盖火力面和水腔内壁最高温度(本算例分别高估26K和33K),这直接影响对高强化柴油机缸盖热负荷安全性的评估。

关键词：内燃机过冷沸腾两相流 VOF方法缸盖水腔

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内燃机缸盖水腔内过冷沸腾数值模型研究

内燃机学报 2010年第3期28卷 247-252页

作者：李智黄荣华程晓军李威华中科技大学煤燃烧国家重点实验室湖北武汉430074

比较了不同沸腾传热计算关联式用于矩形截面管道水平流动沸腾状况下的计算精度,并以计算精度较高的BDL模型为基础,选择合适的方法建立了蒸汽泡生成率与壁面沸腾传热的联系。然后基于欧拉均相模型框架,并结合描述各种沸腾现象的子模型,... 详细信息

比较了不同沸腾传热计算关联式用于矩形截面管道水平流动沸腾状况下的计算精度,并以计算精度较高的BDL模型为基础,选择合适的方法建立了蒸汽泡生成率与壁面沸腾传热的联系。然后基于欧拉均相模型框架,并结合描述各种沸腾现象的子模型,建立了新的可用于内燃机缸盖水腔内过冷沸腾数值模拟的两相流模型。最后以实际发动机缸盖水腔为研究对象,进行了沸腾传热与气液两相流的计算,并分析了沸腾因素对缸盖冷却效果的影响及缸盖水腔中的气泡堵塞状况。

关键词：缸盖水腔沸腾传热气液两相流模型

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柴油机缸盖水腔内沸腾换热仿真分析

扬州大学学报（自然科学版） 2018年第1期21卷 35-41页

作者：胥振龙董非武志伟江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013

为了更好地了解柴油机水腔内冷却液的流动和传热问题,根据Eulerian两相RPI(rensselaer polytechnic institute)沸腾模型,建立了一套适用于柴油机水腔沸腾换热的气液两相流模型.以某直列四缸柴油机为研究对象,通过缸盖温度场实验对缸盖... 详细信息

为了更好地了解柴油机水腔内冷却液的流动和传热问题,根据Eulerian两相RPI(rensselaer polytechnic institute)沸腾模型,建立了一套适用于柴油机水腔沸腾换热的气液两相流模型.以某直列四缸柴油机为研究对象,通过缸盖温度场实验对缸盖火力面20个测点进行温度测量,并将实验测得的温度值与传统单相强制对流和两相流模拟得到的温度值进行对比.结果表明:与传统单相流模型相比,Eulerian两相RPI沸腾模型的精度更高,误差小于5%;优化后缸盖水腔底部冷却液的流动与冷却更加均匀,水腔壁面最高温度降低了4.05℃,第三、四缸水腔鼻梁处高温区域面积减小,缸盖水腔换热效果得到改善.研究结果为柴油机缸盖水腔沸腾换热研究和冷却水腔的设计提供了依据.

关键词：柴油机缸盖水腔沸腾换热气液两相流模型

内燃机缸盖水腔内过冷沸腾现象的数值模拟方法综述

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内燃机缸盖水腔内过冷沸腾现象的数值模拟方法综述

基于本地参数的缸盖水腔内沸腾传热过程仿真分析及验证

湖北省内燃机学会2009年学术年会

作者：李智黄荣华华中科技大学能源与动力工程学院

建立适合于内燃机缸盖水腔内的过冷沸腾数值模型,是精确预测缸盖内冷却水流动与传热状况的必要条件,也是实现内燃机高温冷却方式的必然手段。本文综述了过冷沸腾现象的三种数值模拟方法及其在内燃机缸盖水腔中的应用,并提出建立适合于... 详细信息

建立适合于内燃机缸盖水腔内的过冷沸腾数值模型,是精确预测缸盖内冷却水流动与传热状况的必要条件,也是实现内燃机高温冷却方式的必然手段。本文综述了过冷沸腾现象的三种数值模拟方法及其在内燃机缸盖水腔中的应用,并提出建立适合于内燃机缸盖水腔内过冷沸腾数值模拟的两相流模型是未来发展的必然趋势,以及开展实际缸盖内的沸腾试验以进行模型的标定与验证具有十分重要的意义与价值。

关键词：缸盖水腔沸腾传热两相流数值模拟

来源： cnki会议评论

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基于本地参数的缸盖水腔内沸腾传热过程仿真分析及验证

基于VOF两相流的缸盖过冷沸腾模型及试验验证

2020中国汽车工程学会年会暨展览会

作者：刘桂玲杨志慧翟黎明蒋亮杨振国一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂

基于沸腾传热叠加理论和边界层理论,结合发动机缸盖的实际工况引入本地物理参数,建立了适用于发动机内流固耦合面上换热的沸腾两相流动传热数值模型。本文以某六缸天然气发动机缸盖为研究对象,结合数值计算和试验分析的手段,对沸腾传热... 详细信息

基于沸腾传热叠加理论和边界层理论,结合发动机缸盖的实际工况引入本地物理参数,建立了适用于发动机内流固耦合面上换热的沸腾两相流动传热数值模型。本文以某六缸天然气发动机缸盖为研究对象,结合数值计算和试验分析的手段,对沸腾传热数值模型的准确性和适应性进行了针对性的验证。结果表明:与不考虑沸腾的单相对流传热相比,两相沸腾传热数值模型有效还原了发动机缸盖冷却水套的真实工作状态,准确描述了缸盖水套内确实存在的沸腾现象,增强了计算结果的准确性;利用两相沸腾传热模型计算得到的缸盖火力面重点区域温度与实测值之间的误差小于5%。

关键词：发动机缸盖水腔流固耦合对流传热沸腾传热 CFD

来源： cnki会议评论

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内燃机学报 2014年第4期32卷 372-376页

作者：谷芳吴华杰崔国起天津大学内燃机研究所天津300072

以流体体积(VOF)两相流方法为基础建立了适用于高强化柴油机缸盖的过冷沸腾传热模型.该模型考虑了过冷流动沸腾中的蒸发和冷凝现象.采用T型管和铸铝缸盖两个传热试验对上述模型进行验证.结果显示:T型管传热试验在高壁面过热度下,模型计... 详细信息

以流体体积(VOF)两相流方法为基础建立了适用于高强化柴油机缸盖的过冷沸腾传热模型.该模型考虑了过冷流动沸腾中的蒸发和冷凝现象.采用T型管和铸铝缸盖两个传热试验对上述模型进行验证.结果显示:T型管传热试验在高壁面过热度下,模型计算误差能控制在5%以内;铸铝缸盖火力面测温试验结果与模型预测结果之间的平均误差为5.6%.上述结果充分表明,提出的基于VOF两相流方法的过冷沸腾传热模型有较强的适用性,能够预测较宽范围内过冷流动沸腾现象.

关键词：缸盖水腔过冷沸腾两相流流体体积(VOF)方法

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过冷流动沸腾换热气泡行为的实验研究

过冷流动沸腾换热气泡行为的实验研究

作者：尚靖武山东大学

学位级别：硕士

随着人类社会的不断进步以及对环保问题的重视,各个国家针对内燃机的排放法规日益严格,包括高压共轨、涡轮增压技术在内的众多内燃机新技术的广泛应用带来的不仅是其动力性的提升,也使得发动机越来越朝着高爆发、高功率密度的方向不断发... 详细信息

随着人类社会的不断进步以及对环保问题的重视,各个国家针对内燃机的排放法规日益严格,包括高压共轨、涡轮增压技术在内的众多内燃机新技术的广泛应用带来的不仅是其动力性的提升,也使得发动机越来越朝着高爆发、高功率密度的方向不断发展,随之而来的热负荷大幅度提高对发动机冷却系统的换热能力提出了新的挑战。“精确冷却”、“适度冷却”等众多提高冷却系统冷却效率的新概念应运而生并被广泛应用到内燃机中。缸盖冷却水腔底部靠近鼻梁区的区域是发动机正常工作时承受交变热负荷最剧烈的部位,理解和认知冷却介质在水腔内部发生的过冷流动沸腾换热机理是提高内燃机冷却效率的关键所在。发生沸腾现象时,加热壁面达到一定温度将会产生气泡,气泡的成核、发展、脱离与消亡等行为直接表征了沸腾换热复杂的两相流换热机理,对气泡生长和脱离的规律和条件的研究又称气泡动力学研究,它对于理解内燃机冷却水腔内部发生的过冷流动沸腾具有重要意义。本文通过搭建沸腾换热试验台来模拟发动机内部沸腾换热形式,并利用高速摄像机记录发生沸腾时生成的大量气泡在模拟流道底部加热面的完整生命过程,主要是气泡在不同时刻的等效直径的采集。设计多工况实验分别研究了不同因素对气泡行为特性的影响,包括流速、压力、过热度和热流密度等参数。通过对加热壁面气泡的直径进行频率分布统计后,可以发现,其直径分布服从高斯分布,并且随着热流密度的增加,加热面气泡密度也随之增大。横向对比三参数对加热表面气泡分布的影响,可以发现在热流密度较高时,过热度的变化对气泡直径的分布影响比较大,随着过热度的提高,气泡直径分布数值有整体升高的趋势;流速对气泡分布的影响主要来源于其对局部区域流场的影响,流速较高时换热迅速,气泡也很难达到比较高的数值就会发生脱离现象,这也使得加热面气泡数目有所降低;压力的增加将会使得气泡直径整体升高。通过对大量气泡从成核、脱离到消亡的完整生命周期数据进行统计分析,可以发现,气泡从成核开始,直径不断增加,直到加热壁面,在脱离前后气泡会达到整个生命周期的最大体积,随后逐渐减小,直到消亡。加热壁面成核点众多,实验发现,不同试验工况下气泡整体的规律总体一致,在同一工况下,由于成核点位置不同,局部微观结构的差异使得气泡生命周期尺度和最大气泡直径分别有0～lms和0～0.8mm的偏差。通过纵向对比热流密度三个不同梯度下脱离气泡的行为特征发现,随着热流密度的提高,大量气泡生命周期持续时间呈现降低趋势。横向对比三参数对脱离气泡行为特性的影响,可以发现,在不同热流密度下,流速对气泡生命周期的行为特性影响均比较显著且其规律较为一致,气泡的总体尺寸包括脱离直径与可达到的最大直径都随着流体流速的增加而减小;随着压力的增加,气泡生命周期持续时间有缩短的趋势,并且此趋势在压力较低的情况下尤为显著;在主流体流速和热流密度不变的情况下,气泡尺寸随过热度的增加而降低,气泡周围边界层较低的温度梯度降低了气泡融合的速率,因此在整个生命周期内气泡可以达到更高的等效直径。最后将本实验采集到的脱离气泡数据带入前人的预测关联式中进行计算,对比分析发现大多数预测关系式并不能很好地适用于本课题中的实验情况,误差较大,通过对气泡脱离直径预测的三种常用的方法进行整理归纳,并根据其优缺点针对本课题实验内容基于力平衡的方法,建立气泡脱离直径与四个无量纲参数的函数关联式,结果显示预测效果良好,预测气泡脱离直径的平均相对误差为10.25%。

关键词：内燃机缸盖水腔过冷流动沸腾气泡运动学气泡脱离直径预测

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发动机冷却水腔沸腾换热模型研究

发动机冷却水腔沸腾换热模型研究

作者：杜玉浩山东大学

学位级别：硕士

内燃机作为最常见的一种动力机械,随着对其动力性能要求的提高及排放法规的日趋严格,发动机向着高强化、高功率密度的方向发展,这必然会导致爆发压力和热负荷的提高,从而使得发动机冷却系统的换热能力也面临着巨大的挑战,众所周知缸盖... 详细信息

内燃机作为最常见的一种动力机械,随着对其动力性能要求的提高及排放法规的日趋严格,发动机向着高强化、高功率密度的方向发展,这必然会导致爆发压力和热负荷的提高,从而使得发动机冷却系统的换热能力也面临着巨大的挑战,众所周知缸盖水套中存在一定程度的沸腾换热现象,其具有强化换热的能力,因此如何合理利用沸腾换热的高传热能力是实现内燃机冷却系统精确冷却的关键,这也是未来内燃机整个冷却系统的发展趋势。为了更好地利用沸腾现象的高换热能力,需要对沸腾现象进行试验研究,结合CFD数值分析得到适用于内燃机冷却系统的沸腾换热模型,但内燃机缸盖水套结构的复杂性及沸腾换热的多变性使常规的实验手段不能奏效,本文以等效截面通道的沸腾换热台架试验为依托,研究不同因素对沸腾换热的影响,结合单相均质流沸腾换热模型,进行基于发动机冷却系统的模拟计算。本文主要从以下几个方面对发动机冷却水腔内存在的沸腾换热现象及单相均质流沸腾模型的应用进行深入的研究:1)内燃机缸盖的冷却水腔结构复杂,通过简易通道对比试验来研究沸腾换热现象是目前最直接有效的方式。本文通过建立矩形截面通道、水平加热的沸腾换热试验台架研究沸腾换热,加热金属采用铸铁材料,以电磁感应方式进行加热,研究工作压力、介质流速和主流体温度对沸腾换热的影响,介质流速越高、工作压力越低、主流体温度越低,达到相同壁面温度条件所需的热流密度越大,沸腾发生所需要的热流量越大,而冷却介质流速的增加、介质主流体温度越低和工作压力越大,会使沸腾起始点位置越靠后。2)在单相对流换热模型基础上,将气泡和液态介质作为一种混合相,引入空泡份额概念,通过空泡份额大小反映沸腾发生的剧烈程度以及气泡的分布情况,利用质量守恒规律推导出质量含气率控制方程,结合单向流控制方程进行联立求解。将专家学者广泛应用的经典沸腾换热模型如:Chen模型、Rohsenow模型和Franz渐进模型,与沸腾台架试验数据进行对比,发现Franz模型沸腾曲线形式与试验数据规律类似,依据沸腾台架试验数据对Franz渐进模型进行修正,极大地提高了修正Franz模型在以铸铁为缸盖材料的发动机冷却系统数值计算中的适用性。3)以Duets226-B型柴油机为试验对象,将整个发动机系统在额定工况下运行若干个小时,待发动机运行稳定后,利用热电偶测温法和硬度塞测温法测量缸盖火力面测点温度、距火力面7mm处缸盖内部测点温度和缸盖水套测点温度,进而通过试验数据来分析缸盖温度场分布情况,并为随后进行的发动机冷却系统模拟仿真提供对比依据。4)为了考察沸腾现象对缸盖水套内介质流动传热的影响,基于流-固耦合算法对发动机冷却系统进行仿真计算。当数值仿真中不考虑沸腾换热时,利用CFD软件对发动机冷却系统进行纯对流换热计算;当数值仿真中考虑沸腾换热时,利用UDS功能将单相均质流沸腾换热模型和修正Franz渐进模型嵌入CFD软件中,对冷却系统进行沸腾换热计算。考虑沸腾换热的仿真计算中利用的是基于台架试验数据拟合得到的修正Franz模型,通过仿真结果和试验数据的对比发现,考虑沸腾换热后,采用修正Franz模型的仿真结果更接近试验数据,缸盖火力面温度的相对误差平均值比不考虑沸腾换热时降低37%,距火力面7mm处的缸盖内部温度的相对误差平均值比不考虑沸腾换热时降低37%。通过冷却系统仿真计算来对比Rohsenow模型和修正Franz模型精度,发现修正Franz模型仿真结果更接近于试验数据,修正Franz模型的仿真结果在缸盖各个区域的准确性均有所提高。因此本文中所使用的单相均质流沸腾换热模型和修正的Franz渐进模型在发动机冷却系统的计算中具有一定的实际价值。

关键词：发动机缸盖水腔矩形截面通道单相均质流模型修正Franz模型