柴油機管路建模沸騰傳熱模型研究

高震　李果　羅青　王佩　童亞拉　安士杰

摘 要：目前柴油機缸蓋冷卻水腔壁面沸騰傳熱現象越來越受到重視，本文選用同一工況對典型單相液沸騰傳熱模型Chen模型重新標定，對標定的模型進行了計算精度對比，計算分析了沸騰傳熱影響因素及其影響規律，應用大容器淬火沸騰試驗數據進行了模型驗證，證明了模型的適用性。

關鍵詞：柴油機冷卻系統；沸騰傳熱模型；Chen模型。

基金項目：湖北省教育廳人文社科重點項目（16Q106）

隨著技術的發展，現代柴油機融合了電子技術、信息技術、自動控制技術和智能制造等諸多高新技術，已成為融合多學科、多領域的高新技術產品。

1 柴油機管路建模技術背景

近年來，高強化柴油機的功率密度進一步提高，熱負荷不斷增大，冷卻水腔中開始出現沸騰傳熱現象，對冷卻系統的影響重大。柴油機冷卻系統的獨立控制必須建立在大量理論計算和試驗研究基礎上，主要分為試驗測量與仿真計算。對冷卻系統參數的測量可準確得出系統局部流動參數，但無法獲得實際工作時整體流動與傳熱狀態；基于零部件局部溫度測點的測量可準確得出實際運行時的固體溫度參數，但無法獲得全局溫度場結果，且試驗測量也受測點加工空間及加工水平的限制，周期較長，耗費大量的人力物力，改變柴油機局部結構。計算機仿真技術的發展及CFD軟件的開發，使在試驗測量基礎上的仿真計算是未來柴油機傳熱及冷卻系統研究的重要方向[1]。因此，本文深入研究柴油機管路建模技術中的沸騰傳熱建模，取得了一定進展，為柴油機冷卻系統的優化控制奠定了基礎。

2 沸騰傳熱模型發展現狀

沸騰傳熱模型是建立在簡單管道試驗基礎上，經過量綱分析和數據擬合形成關聯式，根據不同應用對象，修正模型系數和指數，可分為線性疊加模型、漸進模型和分區模型。

線性疊加模型將沸騰傳熱總傳熱量視為純對流傳熱和核沸騰傳熱量的線性疊加：

其中， 為純對流傳熱量， 為純核沸騰傳熱量， 為核態沸騰對對流傳熱的強化因子， 為對流傳熱對核沸騰傳熱的抑制因子。

漸進模型是在線性疊加模型基礎上形成的非線性疊加法，它定義壁面總的傳熱量為單相對流傳熱量 與核態沸騰傳熱量的非線性疊加：

其中，指數m反映不同傳熱部分在總傳熱量中所占的比重。

以上兩種模型主要區別在于計算關聯式的標定，而不同分區模型的區別在于所選用分區方法的不同及分區之后，在不同溫度區間不同計算關聯式的選擇[2]。

3 簡單管道單相流沸騰傳熱研究

目前，簡單管道的單相流沸騰傳熱模型均建立在試驗基礎上，有多種模型，本文只選擇Chen模型進行標定和計算。

3.1 Chen模型簡介

J.C.Chen基于大量試驗數據，認為沸騰傳熱總傳熱量等于泡核沸騰與單相液對流傳熱的簡單線性疊加，利用對容積沸騰傳熱系數和單相對流傳熱系數進行修正，得出泡核流動沸騰的綜合熱流密度為：

式中， 為壁面總的傳熱量， 、 、 分別為壁面溫度、主流體冷卻液溫度和壁面層冷卻液局部的飽和溫度， 、 分別為單相對流傳熱系數和流動沸騰傳熱系數。

3.2 Chen模型的標定和計算

柴油機冷卻系統工況的常用范圍為：出口壓力0.1MPa-0.25MPa，主流流體溫度范圍為60℃-95℃，流速范圍為0.34m/s-6m/s。本文選用此范圍內的流動工況作為仿真工況，在簡單矩形管道內的沸騰試驗數據對Chen模型進行標定。左邊為冷卻水入口，右邊為冷卻水出口，管道水平放置，管道截面尺寸為26mm 14mm，加熱面大小為14mm false90mm，加熱塊選用純銅材料，在銅塊底部采用高頻電磁感應進行加熱，管道除了與銅塊接觸的表面外，其它表面進行了絕熱處理，對其進行六面體網格劃分[4][5]。

3.3 變物性參數處理

為了模型計算準確，將對沸騰傳熱量計算影響較大的物性參數一定工況范圍內多次擬合，將模型計算過程中的物性參數作變物性處理，具體如下。

3.4 Chen模型的標定

本文采用入口流速0.6m/s，出口壓力0.8bar，入口水溫80℃時的不同壁面加熱熱流密度的試驗數據對Chen模型的系數和指數進行了重新標定，最終的標定結果為：

用標定前后的模型分別計算入口流速0.4m/s，出口壓力0.6bar，入口水溫80℃，不同壁面加熱熱流密度時的工況，Chen模型的程序計算流程圖如圖3.4。將標定前后此工況下的仿真結果與試驗結果對比，分別如表3.3和表3.4所示。

上表可知，標定前Chen模型的計算結果與試驗結果對比，壁面溫度的平均誤差為6.236%，壁面傳熱系數平均誤差為5.652%，而標定后的Chen模型計算結果與試驗結果對比，壁面溫度的平均誤差為2.8006%，壁面傳熱系數的平均誤差為4.542%，表明重新標定后，Chen模型的計算精度有了顯著提高。

4 結束語

本文采用簡單管道強制對流過冷沸騰傳熱的試驗數據，選用同一工況對CHEN模型的沸騰傳熱模型重新標定，并對比了標定前后模型計算精度。結果表明：分區模型由于采用了關于壁面溫度的分段擬合方法，在寬廣的溫度范圍內均具有較高計算精度，研究形成了柴油機實際工況下完整的流動換熱計算模型，為柴油機冷卻系統的優化控制奠定了基礎。

雖然對影響沸騰傳熱的三個因素進行了分析，但沸騰傳熱是一個非常復雜的課題，影響因素非常多，后期可以探索加工工藝、表面粗糙度、不同冷卻介質等對沸騰傳熱的影響規律，以建立更加完整和精確的沸騰傳熱模型。

參考文獻

[1]李智.天然氣發動機氣缸蓋熱負荷及冷卻水腔內沸騰傳熱研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[2]Helfried Steiner，Alexander Kobor，Ludwig Gebhard.A Wall Heat Transfer Model for Subcooled Boiling Flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2005（48）.

[3]Ramstorfer F， Stiner H，Brenn G.Subcooled Boiling Flow Heat Transfer from Plain and Enbanced Surface in Automotive Applications[J].Heat transfer，2008（130）： 011-501.

[4]朱東祥.內燃機缸蓋冷卻通道沸騰換熱實驗研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[5]劉永豐，王龍飛，楊震寰，等.矩形通道內過冷流動沸騰傳熱特性試驗研究[J].內燃機工程，2014，23（1）： 10-15.

作者簡介

高震（1996-），男，漢，山西大同人，湖北工業大學理學院，研究方向：計算機應用技術。