纳米流体在往复运动活塞底面喷射冷却中强化传热的基础研究

Under the development tendency of high strengthening internal combustion engine, the temperature of combustion chamber moving part of piston which contacts the high-temperature gas needs to be timely cooled by using forced cooling method. The youth fund “Basic research on heat transfer enhancement of piston cooling gallery with reciprocating piston motion using nanofluids 51006015” carried out research on the basic theoretical problems of applying nanofluids in oil-cooling channel under the reciprocating motion of piston for enhancing heat transfer. And the results showed that: without changing the oil filling ratio, the heat transfer capability of oil-cooling channel is improved significantly compared to that of conventional lubricating oil. Therefore, the application of nanofluids in piston bottom spray cooling for enhancing heat transfer will be more effective, and the present subject is intended to make a detailed research on its enhanced heat transfer theory. Through visualization and heat transfer experiment, the physical nature of nanofluids heat transfer enhancement under the condition of reciprocating transient impact distance can be revealed, and the mathematical-physical model of nanofluids convective heat transfer under this condition can be proposed, in addition the effective method of numerical simulation calculation for nanofluids multiphase flow convective heat transfer can be given. On the basis of this research, by applying nanofluids in enhancing heat transfer of real piston engine, according to the actual motion process of piston the mathematical-physical model and numerical simulation method of nanofluids convective heat transfer that are suitable for designing enhanced heat transfer of internal combustion engine piston are attempted to be given, in order to perfect the theory of forced cooling of internal combustion engine piston.

内燃机高强化发展趋势下，与高温燃气接触的燃烧室运动部件活塞必须采用强制冷却才能及时降温。青年基金“纳米流体强化往复运动活塞冷却油腔传热的基础研究51006015”针对活塞往复运动下冷却油腔内采用纳米流体后强化传热所涉及的基础理论问题进行了研究，发现在没明显改变机油填充率条件下，与传统润滑油相比可以显著提高冷却油腔换热能力。因此将纳米流体应用于活塞底面喷射冷却中，其强化传热将更显著，本课题将针对其强化传热理论问题开展研究，拟通过可视化与传热实验揭示往复运动状态下喷射换热中纳米流体强化传热的物理本质，进而建立这种状态下纳米流体对流换热数学物理模型，给出纳米流体多相流对流换热数值模拟的有效计算方法。在此研究基础上将纳米流体应用到活塞底面喷射冷却中强化换热，结合活塞实际运行过程，给出适用于内燃机活塞强化传热设计所需要的纳米流体喷射对流换热数学物理模型和数值模拟方法，完善内燃机活塞强化传热理论体系。

随着内燃机高强化发展趋势下升功率的大幅提升，必然会造成更高的缸内温度，从而产生更多热量传给与燃气直接接触的燃烧室运动部件活塞，因此需要对活塞进行强制冷却才能及时降温以达到活塞稳定工作的要求。为对高温活塞进行有效冷却，课题将纳米流体引入内燃机活塞的强制冷却过程，并针对其中涉及的基础问题开展了：1）纳米流体热物性的理论模型研究；2）纳米流体冲击射流变冲击距离状态下流动与传热的实验研究；3）纳米流体冲击射流换热过程的数学物理模型研究；4）往复冲击作用下纳米流体的多相流数学物理模型及数值模拟研究；5）纳米流体在内燃机活塞换热中的应用研究。获得创新性成果有：1）基于分子动力学研究纳米流体热物性参数强化机理的基础上，建立了纳米流体导热系数和粘度的预测模型，预测模型结果得到了实验验证；2）自由空间冲击射流换热实验证实纳米流体可以进一步强化射流冷却，并根据实验结果总结出了纳米流体冲击射流的实验关联式；3）可视化实验显示，冲击射流过程中存在粘壁，而纳米流体可以进一步强化粘壁层的传热；4）单相冲击射流模拟的湍流模型中双方程SSTκ-ω模型最为准确，其他的双方程湍流模型和多方程湍流模型从模拟精度和计算量上来讲，并不适合计算冲击射流；5）纳米流体模拟证实Eulerian-Eulerian模型（混合湍流模型、分散湍流模型和分相湍流模型）更为准确，单相流模型即使物性参数来自实验，也不能准确预测纳米流体冲击射流换热过程；同时还发现纳米流体中两相的动量交换和温差梯度有效地促进了整体能量传递，表明除了物性参数改变外，纳米颗粒的存在，对换热过程起到了额外的强化效果；6）对冲击混合过程中纳米流体气液固三相流数值模拟来讲，Eulerian-Eulerian模型最为准确。另外，由于纳米流体与空气组成的固气液三相流，纳米颗粒与基础流体之间形成的是扩散界面，空气与基础流体之间形成的界面则是清晰可辨，此时几何重构思想无法实现对两种不同界面的准确追踪，而基于限制因子的局部Compressive格式可以很好分辨两种相间界面，从而实现准确模拟；7）将活塞底面冲击射流和冷却油腔采用纳米流体后，耦合与活塞组-润滑油膜-气缸套整体计算证实采用纳米润滑油可以显著降低活塞温度，对活塞起到非常明显的强化冷却效果。