内燃机冷却水腔微纳米结构超疏水壁面减阻及分区控制传热基础研究

Unique properties of micro/nano-structured superhydrophobic wall enable it for wide heat transfer applications, such as flow drag reduction, boiling heat transfer enhancement, and delicate convection heat transfer control (enhancing or reducing). In this project, we propose to apply micro/nano-structured superhydrophobic wall for internal combustion engine water cooling jacket to reduce cooling water drag and to better control temperature. Zoned controlling of wall temperature is proposed, subcooled boiling (phase change) or forced convection (no phase change) can be applied at different region. The purposes of pumping power reduction, boiling heat transfer enhancement at high temperature region, convection heat transfer reduction at low temperature region, as well as reduction of the total thermal loss will be achieved by this adoption. In this project, we propose theoretical, experimental, and numerical modeling studies on: 1) investigation of micro/nano-structured superhydrophobic wall’s effect on forced convection heat transfer with major effort on finding optimized matching of fluid drag and heat transfer, and elucidating physical mechanisms of micro/nano-structured superhydrophobic wall’s effect on forced convection; 2) investigation of micro/nano-structured superhydrophobic wall’s effect on heat transfer enhancement, with major effort on mechanisms of subcooled boiling at superhydrophobic wall; 3) application study of micro/nano-structured superhydrophobic wall’s effect on heat transfer management through zoning in internal combustion engine water cooling jacket, with major focus on experimental testing under realistic internal combustion engine testing stand, further exploring superhydrophobic wall’s effects on drag, heat transfer, overall temperature distribution and overall heat loss regarding realistic internal combustion engine environment. In summary, the proposed study will lay solid theoretical foundation for applying micro/nano-structure superhydrophobic wall in internal combustion engine cooling.

微纳米结构超疏水壁面具有减小流动阻力、强化沸腾换热、控制（强化或削弱）强迫对流换热的作用。课题提出将内燃机冷却水腔壁面改性为微纳米结构超疏水壁面的设想，从而可减少流动损失，并可按照冷却水腔壁面温度高低，分区控制其强迫对流过冷沸腾（有相变）和强迫对流（无相变）传热，最终达到减小泵功，强化高温区沸腾传热，以及削弱低温区强迫对流换热，减小额外热损失的目的。拟采用理论、实验和数值模拟相结合的方法，开展：1）微纳米结构超疏水壁面强迫对流换热研究，主要探讨流动阻力与传热量的最优匹配机制，和其调控强迫对流换热的物理机制；2）微纳米结构超疏水壁面强化、调控强迫对流过冷沸腾换热物理机制研究；3）微纳米结构超疏水壁面在内燃机冷却水腔分区控制传热的应用研究，进行内燃机的实机实验，探讨其流动阻力特性、传热特性、温度场分布特性，及其热损失特性等。研究结果可为微纳米结构超疏水壁面在内燃机中的实际应用奠定理论基础。

内燃机的不断强化使其冷却水腔的传热更加严峻。为了满足内燃机燃烧室热强度的要求，需要冷却水腔具有更高的传热能力；这种传热能力的提升不应造成更大的热损失和流动阻力，以及燃烧室部件内部更大的温度梯度。目前传统的冷却水腔强化传热技术均有其局限性。为此，课题提出了将内燃机冷却水腔壁面进行微纳结构亲、疏水靶向改性，以减少流动阻力和分区调控传热的新方法。冷却水腔内部按照壁面温度的不同，可分成不同的传热区域：气缸盖鼻梁区等高温区域的强迫对流沸腾传热区、鼻梁区以外温度较高的近鼻梁区的强迫对流换热区、以及远离鼻梁区温度较低的强迫对流换热区。上述不同的换热区域担负的传热任务不同，因此其壁面微纳结构、亲疏水程度也应不尽相同。课题针对这几个不同的换热区域，开展了理论、实验和数值模拟基础研究：1）微纳结构壁面的制备、表征与稳定性研究；2）微纳结构壁面的沸腾换热实验研究； 3）微纳结构壁面的强迫对流流动与换热特性研究，开展了微纳结构壁面的流动可视化和减阻特性研究，以及强迫对流换热特性研究；4）微纳结构壁面减阻特性与传热特性的分子动力学研究；5）微纳结构壁面在内燃机冷却水腔应用的基础研究。通过上述研究，探明了不同壁面特性条件下流固界面处流体分布特性是影响流动阻力与传热的主要因素，发现了弱疏水条件下微纳结构间隔变化将引起流体润湿模式转变，进而影响流动阻力的现象；发现了微纳结构在某些合适的尺寸时，在结构顶端与间隙内均能出现三相接触线的现象，明晰了不同尺寸条件下间隙内液体的势能壁垒是影响其能否相变为汽体的主要原因，微纳结构尺寸改变时不同体积的可相变微液层是影响传热效率的主要因素；从微观层面发现了微纳结构壁面上液体输运行为能够强化沸腾传热的现象，揭示了微纳结构对间隙内液体会产生更强的壁面效应，进而提高低温液体对蒸干区的补液速率，最终提高液体沸腾传热效率的机制；给出了微纳结构壁面在冷却水腔减阻与传热调控的应用策略。