纳米流体强化往复运动活塞冷却油腔传热的基础研究

课题将纳米润滑油替代传统润滑油，应用于内燃机活塞往复振荡冷却油腔中，以达到强化传热，改善活塞高温热负荷的目的。在实测纳米流体输运特性参数(导热系数、比热容、黏度)的基础上，利用管内可视化实验，研究流动切向往复振荡作用下，纳米流体气液混合两相流的流动状态；管内传热实验，研究流动切向往复振荡作用下，纳米流体气液两相混合液与壁面的换热；以能揭示纳米流体气液两相流及与壁面传热的机理，从而建立相应的数理模型。并将数理模型应用于活塞冷却油腔纳米润滑油与活塞组耦合体之间的传热模拟计算中，实现冷却油腔纳米润滑油-活塞组-润滑油膜-气缸套整体耦合系统的传热全仿真，考察纳米润滑油对整个系统传热性能的影响规律，最终通过纳米润滑油(成分、粒径、百分比、充液率)控制内燃机强化传热，加快纳米流体在内燃机中的应用进程，丰富纳米流体气液两相流动、混合、传热的基础理论，还能促进纳米流体在其它振荡状态下强化传热的应用。

课题采用纳米颗粒添加剂润滑油—纳米润滑油代替传统润滑油，应用于内燃机活塞往复振荡冷却油腔中，以达到强化传热，改善活塞高温热负荷的目的。为了开展纳米流体在内燃机活塞冷却油腔内流动与换热的实验研究，利用两步法制备了纳米润滑油（Cu-纳米润滑油）和水基纳米流体（SiO2-水纳米流体、Al2O3-水纳米流体）悬浮液。实测了纳米润滑油和水基纳米流体的输运特性参数——导热系数、比热容、粘度。在往复运动试验台上，开展了纳米流体和基础流体在流动垂直方向往复运动作用下，流动可视化实验研究和传热实验研究，结果表明采用纳米流体作为活塞冷却油腔工作流体，在相同转速下，可增加换热功率；可视化实验显示整个往复运动周期内，纳米流体的流动混乱程度均好于基础流体，说明采用纳米流体后可以进一步强化流体的湍流流动特性。在流动可视化和传热实验研究基础上，建立了管内流体在往复运动作用下气液两相流数理模型，并与实验结果进行对比，结果表明VOL+LVEL SET模型与实验更为接近；故将此模型用于活塞冷却油腔的换热多维瞬态计算中，结果表明无论传统机油还是纳米机油，壁面对流换热系数都呈现周期性变化规律，整体平均对流换热系数都是从上止点到下止点的运动过程中较大，从下止点到上止点的运动过程中较小；在一个往复运动周期内，上半部分壁面(上壁面、内壁面和外壁面)的平均对流换热系数大于下壁面，从而在燃烧冲程带走更多的热量；相对传统机油而言，加入了纳米颗粒后的对流换热系数有大幅度提高，所有壁面均如此。课题还将活塞组（带冷却油腔）-润滑油膜-气缸套作为一个耦合体，建立了该系统的传热、润滑、摩擦耦合模型，活塞冷却油腔边界采用冷却油腔的多维计算结果，通过边界耦合实现传热全仿真模拟，结果表明采用纳米金刚石后可以显著降低活塞冷却油腔表面温度，从而使活塞整体温度降低，对活塞起到非常明显的强化冷却效果。最后还开展了纳米润滑油在内燃机中的应用研究，通过台架试验，进一步证实采用纳米润滑油后，内燃机往复运动活塞热强度可以进一步得到改善。