振荡多相流湍流混合与强化传热的机理研究

Oscillating heat transfer of multiphase flow is a multidimensional, multiphase, unsteady, dynamic flow and heat transfer process，because of its strong heat transfer ability it is widely used in internal combustion engine industry. Oscillating heat transfer process of multiphase flow includes the crushing, polymerization, atomization of the fluid, and the dynamic impact and detachment with the wall surface, also and the separation of retention layer, there is no further research on the mechanism of heat transfer enhancement. The applicant will focus on the two key mechanism problems consisting of turbulent mixing of oscillating multiphase flow and impact heat transfer, and install the reciprocating oscillating experimental platform to carry out visualization observation of oscillating multiphase flow and measurement of heat transfer. Based on the experimental data and simulation results, the connection of oscillating multiphase turbulent structure and neat transfer enhancement would be established, and the field synergy theory would be adopted to analyze and build the models of turbulent mixing of multiphase flow and dynamic impact heat transfer and dynamic heat transfer of retention layer, which would reveal the mechanism of oscillating multiphase flow heat transfer enhancement. Finally, a kind of more reasonable numerical model and calculation method reflecting the essence of oscillating turbulent mixing of multiphase flow and heat transfer enhancement will be proposed.

多相流的振荡传热是一种多维、多相、非定常的动态流动与传热过程，由于其强化传热效果好，在内燃机行业有着广泛的应用。多相流的振荡传热过程存在着流体的破碎、聚合、雾化、与壁面的动态冲击、脱离以及滞留层的剥离等复杂过程，目前对其强化传热机理还没有深入的研究。申请者将重点针对振荡多相流湍流混合和冲击传热这两个影响强化传热的关键机理问题，建立往复振荡实验台进行多相流振荡流动可视化实验和传热测量实验，并对多相流的振荡传热过程进行数值模拟.综合实验和仿真结果，建立振荡多相流湍流结构变化与强化传热效果之间的联系，并采用场协同理论分析建立多相流湍流混合传质、动态冲击传热和滞留层动态传热理论模型，揭示多相流振荡强化传热的机理，提出一种更准确地反映振荡多相流湍流混合和强化传热的数值模型和计算方法。

为保证高强化柴油机活塞在高机械负荷和高热负荷下安全可靠地工作，采用振荡冷却的方式对活塞进行降温。在活塞头部设置内冷油腔，向其中喷射冷却机油，机油和空气共存于油腔内，随着活塞的往复高速运动，机油和空气产生强烈的振荡，振荡流体与油腔壁面之间相对速度较大，形成紊流。油腔壁面的表面传热系数大、强化传热效果好，能够对活塞进行有效地冷却。高强化活塞的振荡冷却现象，其本质就是多相流振荡流动与传热问题，既关系到国防和车辆工程等领域的重要工程实际，也是流体传热传质的经典问题之一，具有重要的理论意义和工程应用背景。多相流的振荡传热过程是一个复杂的多维、多相、非定常的瞬态传热过程，其中包含着多相流的破碎、聚合、雾化、与壁面的动态冲击、脱离以及壁面滞留层的剥离等复杂的过程。现有研究集中在各参数对传热效果的影响方面，对流动过程和传热特性的研究尚浅，对于多相流振荡流动结构与传热效果之间的联系几乎无人提及，而这恰恰是多相流振荡强化传热的关键所在。本项目分别从实验研究和数值模拟两个方面入手，重点研究多相流的振荡流动结构与强化传热特性。建立往复振荡实验台同时进行振荡流体流动可视化和振荡流体瞬态传热测量实验研究，探明振荡多相流的湍流结构变化和强化传热效果之间的联系；采用数值模拟的方法，对多相流振荡流动与传热过程进行仿真，结合理论研究和实验研究结果，考虑壁面滞留层的厚度和变化，采用场协同理论对多相流振荡流动与强化传热过程进行分析，初步揭示多相流振荡传热的机理。本项目的成果为揭示多相流振荡强化传热的机理提供理论依据，为高强化柴油机的结构优化和设备改型提供理论指导，为多相流振荡传热的工程应用提供更为广阔的前景。