柴油机缸盖冷却系统过冷沸腾状态下的传热机理研究

本项目将高强化柴油机缸盖水套的复杂结构，简化分解成多个典型传热结构，研究其在高欠热度条件下的过冷沸腾传热规律。搭建综合传热试验平台，采用高频感应加热技术、CCD高速摄像技术和LDV激光多普勒测速技术等，对缸盖水套各种典型传热结构内的温度分布特征、沸腾气泡分布特征、尺度范围以及气液两相流流场结构等，进行详细的现象观察和定量测量。从沸腾气泡的尺度、分布状况、运动形式以及气液两相流流场等基本规律出发，采用局部特征参数，建立柴油机缸盖水套在高欠热度下的过冷沸腾传热机理模型，并对其进行CFD数值验证。本项目提出的过冷沸腾传热机理模型，将为未来开展内燃机燃烧与冷却系统的大规模、非线性、多场耦合计算分析奠定坚实的传热理论基础，提出的化繁为简的试验方法，将为类似复杂传热单元的热物理性能测量和理论研究提供切实可行的研究思路和技术路线。

本项目针对高强化柴油机缸盖水套的高热负荷区，简化分解成一系列简单便于观测的传热结构，研究其在高欠热度条件下的过冷沸腾传热规律。设计并搭建了一套快拆传热试验平台，该实验平台可同时进行过冷流动沸腾传热试验、LDV流场试验和CCD过冷沸腾观测试验。利用该综合试验平台，对各种传热结构内的温度分布特征、沸腾气泡分布特征、尺度范围以及气液两相流流场结构，进行了详细的现象观察和定量测量。传热试验结果显示，文献中的经典过冷沸腾传热模型（Chen模型和BDL模型）预测平面结构有较高精度，但对凹面结构在高欠热度区的预测精度较差，结合LDV流场试验和CCD观测试验发现，这是由于经典模型未考虑局部结构对流场的影响，低估了高欠热度下凹面结构的对流传热量，进而影响到过冷流动沸腾总传热量的预测精度。通过对传热试验数据进行因次分析，提出了考虑加热面局部结构的对流传热系数Nu公式，用以修正经典模型在高欠热度区的不足。LDV过冷沸腾流场试验，探究了沸腾与流场之间的相互影响，发现过冷沸腾主要对流场边界层有一定影响，对主流区基本无影响。过冷沸腾使边界层内主流方向速度分量得到抑制，而垂直于加热壁面的速度分量得到强化，强化程度可提高一个数量级。对于凹面加热结构，会随凹半径减小，垂直于加热面方向的速度分量强化程度减弱。这表明改变加热面局部结构会在一定程度上抑制沸腾。通过CCD过冷沸腾观测试验，更加直观地研究了各种操作条件对沸腾气泡密度分布、尺度大小的影响，进一步验证了在相同热负荷条件下，凹面结构有助于降低沸腾程度。通过对CCD图像的分析，提出了气泡尺度与壁面温度之间的定量关系式。基于上述三项试验，建立了VOF气液两相流过冷流动沸腾传热CFD模型，本项目提出的过冷沸腾传热修正模型和气泡尺度经验公式被嵌入到CFD仿真系统中。对T型管、某铸铝缸盖和某铸铁缸盖进行CFD仿真，结果显示，本项目提出的CFD模型，对局部高热负荷区的预测精度可控制在5%以内，对实际缸盖的整体热负荷预测精度能控制在10%左右，具有较强的工程可靠性和应用价值，为实现柴油机缸盖精确冷却、高温冷却等设计理念，提供了强有力的理论保障。本项目发表和已录用国内核心期刊论文8篇，会议论文2篇，其中被EI收录或待收录论文4篇，已投递国外SCI核心期刊2篇。申请一项发明专利，授权一项实用新型专利。培养两名博士后。