内燃机缸盖冷却水腔非稳态沸腾传热特性研究

The failure problem of cylinder head caused by the thermal load has become one of the prominent problems in the development of high power density internal combustion engine. The study of unsteady state heat transfer characteristics in cooling water-jacket is the scientific foundation of heat load evaluation and control problems of internal combustion engine. This project will adopt void fraction as the variable at arbitrary element of the flow field in cooling water-jacket, then to establish a new type of single phase flow boiling heat transfer model by analyzing the energy conservation equation, which will overcome the dependence of the existing empirical formula model on water chamber structure and improve simulation accuracy. The efficiency of coupled complete model of heat transfer for internal combustion engine cylinder head will be improved by the combination of theoretical analysis and experimental method. The void fraction in the specific scale region from the wall will be used as characteristic parameter in this study, then the boiling heat transfer enhancement criterion cooling effect should be determined, which will provide theoretical support for the development of modern internal combustion engine research and development technology.

热负荷引起的缸盖失效问题已成为高功率密度内燃机技术发展面临的突出难题，对缸盖冷却水腔内发生的非稳态沸腾传热特性研究是评估和控制内燃机热负荷问题的科学基础。本项目拟以流场中任意微元体为分析对象，以空泡份额为变量，通过能量守恒分析建立新型单相流非稳态沸腾传热模型，克服现有经验公式模型对水腔结构普适性差的缺陷，提高模拟精度；研究网格模型中点云分段设定和段区内点云排序方法，改进多场耦合网格模型间数据映射算法，提高内燃机传热全仿真模拟计算效率；将光纤探针应用于内燃机缸盖温度场实机测试，提高测试精度，理论分析和试验测试相结合研究内燃机工况参数对水腔内沸腾传热的影响规律；以距壁面特定尺度区域内的空泡份额为标志量，研究其与沸腾状态之间的对应关系，确定能够利用沸腾传热强化冷却作用的极限判据。为现代内燃机开发技术的发展提供理论支持。

本项目针对发动机缸盖水腔内的非稳态沸腾换热现象进行了研究。针对发动机缸盖水腔通道及冷却系统运行工况的特点，搭建了规则通道的可视化沸腾换热试验台。通过对过冷流动沸腾气泡行为的研究，提出了无量纲气泡平均直径的预测公式，并分析了相关无量纲参数对气泡平均直径的影响。对加热面粗糙度和材料影响沸腾换热结果的实验现象，提出粗糙度和固液参数修正因子，用以修正核态沸腾换热项，提高了沸腾换热公式的计算精度。为克服现有经验公式对水腔结构普适性差的缺陷，结合上述沸腾换热机理研究结果，提出了单相均质沸腾换热模型。该模型以流场中任意微元体为研究对象，以空泡份额为变量，建立了空泡份额的控制方程。该模型的计算不依赖水腔通道的雷诺数，从根本上消除了通道结构对换热结果的影响。同时根据不同沸腾换热阶段下空泡份额分布的特点，提出了以5 mm截面高度内的平均空泡份额值为基准的判据，用以判断缸盖水腔内的沸腾换热状态。为进一步提升缸盖温度场模拟精度，降低计算成本，开发了流固耦合传热的自动化模拟软件。通过点云快速配准算法以实现对大规模数据的多核并行分区快速投影，同时采用自动进程软件对流固耦合传热计算过程进行自动化控制。缸盖换热全仿真结果与柴油机缸盖测点温度结果对比表明，所提出的换热模型能合理预测缸盖温度场，具有较高的精度，能合理指导缸盖开发设计。