基于Fe3O4-乙二醇納米流體的直噴汽油機冷卻水套傳熱研究

徐夢杰， 王惜慧

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

基于Fe3O4-乙二醇納米流體的直噴汽油機冷卻水套傳熱研究

徐夢杰， 王惜慧

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

在乙二醇冷卻液中添加Fe3O4納米粒子作為直噴汽油機冷卻液,利用CFD軟件Fluent對不同濃度冷卻液下直噴汽油機冷卻水套的傳熱進行了三維模擬計算，并考慮納米流體導熱系數、比熱容等物性參數隨溫度的變化來提高計算的準確性，計算得到冷卻液的流場、壓力場及壁面溫度的空間分布。結果表明，與傳統冷卻液相比，以Fe3O4-乙二醇納米流體作為冷卻液能夠提高內燃機的散熱性能，水套壁面溫度降低明顯，且濃度越大冷卻效果越好。

納米流體； 直噴式汽油機； 冷卻水套； 仿真

傳統汽油機不同負荷時進氣采用節流方式進行“量調節”，泵氣損失大、經濟性差。渦輪增壓直噴汽油機克服了渦輪增壓響應延遲的缺點，有良好的瞬態響應。油滴吸熱使得缸內溫度下降，充氣系數提高2%～3%，爆震傾向的降低使得壓縮比提高1～2，從而改善了排放和燃油經濟性[1-3]，其升功率可以達到100 kW/L[4]。相對于自然吸氣汽油機，相同功率下增壓發動機尺寸更小，質量更輕，比功率更高，整車燃油經濟性得到改善。所以增壓直噴汽油機既能實現汽車輕量化，又兼顧了排放性能、動力性和經濟性[5]。直噴汽油機有著油耗低、扭矩高、功率大的優點，也能改善汽車響應性和操控性，應用前景廣闊[6]。然而，隨著增壓比的提高和性能的提升，直噴汽油機易產生爆震現象，超級爆震是目前增壓直噴汽油機提高升功率和降低燃油消耗率遇到的瓶頸之一[7-11]，對發動機有很大破壞性。對于超級爆震的抑制措施，奇瑞公司和大眾認為掃氣可以控制超級爆震[8-9]，GM公司則提出加濃混合氣來抑制超級爆震[12]，但上述方法均犧牲了燃油經濟性。美國西南研究院[13]經過試驗得出EGR 中冷對超級爆震有明顯的抑制效果，但EGR中冷結構復雜、成本增加，并降低了汽油機功率密度。天津大學張志福試驗發現，冷卻水溫度下降能夠緩解超級爆震傾向，當冷卻水溫由90 ℃降至70 ℃超級爆震消失。另外由于結構緊湊，直噴汽油機容易過熱，造成充氣系數下降，燃燒不正常，機油變質和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，使得內燃機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化，因此，合理地解決直噴汽油機散熱問題變得日益重要。目前，冷卻系統的技術受兩方面因素限制：一是冷卻液側，傳統的冷卻液(水和乙二醇)導熱系數小；二是空氣側，散熱器的優化空間已不大，增大散熱器面積，雖然能改善空氣側散熱，但受到容量、風阻和輕量化的制約。改進內燃機冷卻腔結構和材料等傳統措施已不能滿足要求，采用更高效的納米流體替代傳統冷卻液，有利于保證直噴汽油機工作時動力性、經濟性、可靠性及耐久性指標，并改善其爆震和過熱，具有很大潛力。

目前，關于納米流體的大量研究都是針對柴油機冷卻水套內部的三維流動進行的。胡文君[14]通過對不同質量分數 CuO 納米流體在柴油機水套中的流動和傳熱計算，證實了納米流體具有較高的傳熱性能，隨著質量分數的增加傳熱能力逐漸增強，當CuO 粒子質量分數達到5%時，納米流體傳熱能力顯著提高，但同時會引起水泵功率小范圍的損失。由于銅比其他納米顆粒(例如氧化銅)的導熱系數更高，同濟大學的楊帥[15]利用CFD方法對質量分數為0.5%，1%，3%和5%的Cu-水納米流體在柴油機冷卻水套內的流動和傳熱過程進行三維數值模擬，計算結果表明，以Cu-水納米流體作為傳熱介質可以顯著提高柴油機的散熱性能，隨著Cu粒子濃度的增加，柴油機散熱能力增強，水泵功耗略有增加。徐行軍[16]和徐哲[17]用Cu-乙二醇納米流體在直列4缸柴油機中模擬得出了相似的結論。徐哲發現，當納米粒子質量分數為5%時，泵功相對于純水時僅增加了6%，散熱量卻增加了43.9%。彭穩根[18]研究發現，4%質量分數的TiO2，Al2O3和CuO 3 種納米流體能顯著提高發動機的散熱性能，與水相比，三者的平均表面傳熱系數分別提升了10.82%，8.43% 和11.24%。Adnan M. Hussein[19]研究了SiO2納米流體在汽車散熱器上的應用，他結合模擬和試驗驗證得出，傳熱速率在低濃度時能比純水增加50%。而K.Y. Leong[20]用Cu-乙二醇納米流體試驗發現2%質量分數的納米流體使得傳熱增強3.8%，冷卻液的壓降隨著銅顆粒的加入而增大，這是由于密度增大，額外的壓降使得泵功增加。C. Oliet[21]，S.M. Peyghambarzadeh[22]與彭小飛[23]等學者通過研究也得出了相似的結論。Fe3O4納米流體性能穩定，成本低廉，兼具磁性和流體的特性，為通過磁場控制流動和傳熱過程強化冷卻提供了可能性。潘志東等研究發現[24]，在磁場作用下納米流體的熱導率隨體積分數的增加而增大。當磁場平行于溫度梯度場時，Fe3O4納米流體的熱導率顯著提高。林育茲[25]試驗發現，與傳統冷卻液及單純使用納米流冷卻液相比，交變磁場作用下的磁納米流體冷卻液有更好的降溫效果，外特性工況下柴油機缸蓋測點處平均溫度值下降幅度為10.4 ℃。Fe3O4納米流體中顆粒粒度越小，體積分數越大，納米流體的熱導率越高，溫度越高，其黏度越小，所以采用小粒徑納米流體、高溫冷卻的方式來限制壓損并強化散熱是比較合適的。

顯然利用納米流體能強化冷卻并改善直噴汽油機過熱和爆震現象，但是目前大多研究都是針對柴油機的，而關于納米流體在直噴汽油機的應用研究較少，尤其是關于Fe3O4納米流體的研究只局限于低溫。因此，本研究利用Fe3O4納米流體強化傳熱的優點，將其應用于直噴汽油機的冷卻系統內，代替傳統冷卻液，通過對不同濃度納米流體的數值模擬，得出納米流體粒子體積濃度對內燃機散熱性能的影響，驗證Fe3O4納米流體的強化傳熱效果；并結合試驗驗證Fe3O4納米流體的導熱系數擬合式，同時采用udf函數考慮流體的導熱系數、比熱等物性參數隨溫度的影響進行計算，計算結果更加準確可靠，解決了傳統傳熱模擬用常數估計計算不準確、誤差大的問題。利用CFD三維數值模擬的方法深入分析納米流體在直噴汽油機冷卻水套的工作過程，獲得復雜水套參數動態變化特征,為缸內直噴汽油機冷卻優化提供參考。

1 納米流體的熱物性

1.1 納米流體導熱系數模型

目前關于納米流體的理論模型還不夠成熟，Hamilton-Crosser[26],Maxwell[27]和Wasp[28]等學者相繼提出了納米流體傳熱模型，然而這些模型都沒有考慮溫度的影響，導致同樣溫度和濃度下預測的導熱系數偏低。2013年，L.Syam Sundar[29]通過試驗結果總結出一個Fe3O4納米流體的導熱系數理論模型：

(1)

式中:φ為Fe3O4納米粒子體積分數；k為導熱系數；下標bf，nf分別代表基液和納米流體。在一定溫度和濃度時，L.Syam Sundar的模型能很好地預測納米流體的導熱系數。

Hrishikesh[30]在大量試驗的基礎上經過回歸分析擬合出金屬氧化物納米流體的導熱系數理論模型：

knf=kbf(1+a×(kp/kbf)b1×φb2×

(T/20)b3×(100/dp)b4)。

(2)式中：T為溶液溫度；dp為納米顆粒平均直徑；a=0.135,b1=0.237,b2=0.467,b3=0.547,b4=0.234。

由于發動機工況下冷卻液溫度較高，本研究通過試驗數據對該模型進行了驗證。通過瞬態熱線法試驗測得308K時乙二醇和水各50%的混合液導熱系數為0.395W/(m·K)，而查詢GT-suite傳統發動機冷卻液的導熱系數表得到導熱系數為0.391W/(m·K)，二者誤差為1.02%，誤差很小，這驗證了試驗測量的準確性。根據試驗可知，1%體積分數的納米流體導熱系數為0.405 6W/(m·K)，而由式(2)計算得到導熱系數為0.421 8W/(m·K)，二者誤差為3.99%，小于5%，這驗證了式(2)的準確性。由圖1可知，納米流體的導熱系數隨著溫度和濃度的增大而增大，導熱系數的增大有利于內燃機散熱。冷卻液的導熱系數在Fluent中通過編寫udf實現，經過計算得到原溶液、2%納米流體和5%納米流體的導熱系數隨溫度變化的函數：

y原=3×10-10x3-4×10-6x2+

0.003 1x-0.178，

(3)

y2%=0.399+0.005 341 3(x-273)0.547，

(4)

y5%=0.399+0.008 193 8(x-273)0.547。

(5)

圖1 各冷卻液導熱系數隨溫度變化趨勢

1.2 納米流體密度、比熱容和黏度模型

關于納米流體的密度、比熱容和黏度的理論模型爭議較少,這里選用3個公式分別作為密度、比熱容和黏度的計算模型。

ρnf=(1-φ)ρf+φρp，

(6)

(cp)nf=(1-φ)(cp)f+φ(cp)p，

(7)

(8)

式中：ρ為密度；cp為比熱容；μ為黏度[16]。

2 發動機冷卻水套的CFD模擬

2.1 建立幾何模型與計算網格模型

本研究選用的是直列4缸直噴汽油機，其主要參數見表1。

表1 發動機主要參數

圖2示出了冷卻水套幾何模型，包括缸體和缸蓋的水套，一個冷卻液進口，3個分別流向機油冷卻器、暖風和調溫器的出口，從左到右依次為1缸、2缸、3缸、4缸。由于水套結構復雜，本研究采用六面體核心網格生成技術對其結構進行網格劃分，首先生成能夠適應復雜幾何體的四面體網格，然后通過先進算法，將大部分區域內的四面體網格破碎，整合成六面體網格，只有在幾何非常復雜或者邊緣地帶才會保留四面體網格。這樣生成的網格集合了四面體網格和六面體網格的優勢，因為大部分區域是結構網格，完全可以與流動方向垂直，因而能夠保證計算精度。另外，采用六面體核心網格比四面體網格減少60%～80%的網格數量，對充分利用計算機資源、節省計算時間很有利。將三維的CAD模型通過轉換文件STP輸入到Fluent的前處理模塊ICEM中進行網格劃分。網格的類型及尺度都會直接影響到CFD計算結果的精度和穩定性,網格劃分應避免出現負體積和負法向，盡量減少翹曲、扭轉和等低質量的網格，此類單元較多會使收斂緩慢甚至引起發散，必須對網格進行修復，在缸墊區域由于流動比較劇烈,要對該區域的網格進行加密。該模型網格數大約為1 000萬,網格主要是由六面體單元(約占94% )組成,另外還包括少量五面體和四面體單元。水套的計算網格模型見圖3。將網格導入Fluent后，經檢查網格沒有負體積，符合要求。由于計算域不規則且結構復雜，為了保證計算精度，本研究采用雙精度格式求解。

圖2 冷卻水套幾何模型

圖3 水套網格模型

2.2 計算模型與邊界條件的確立

計算工況選用直噴汽油機工作的標定工況,冷卻介質為水、乙二醇體積分數各0%的混合溶液和Fe3O4體積分數分別為2%，5%的Fe3O4-乙二醇納米流體冷卻液。管道內冷卻液流動雷諾數可以通過如下公式求得:

Re=ρvd/μ。

本研究中進水管進口流速為4.6m/s,冷卻水進水管入口的特征長度為9mm。由上式計算可知,其Re數超過了流體形態為湍流的臨界值2 320，故可將冷卻水的流動判定為湍流流動。計算時冷卻液在水套內的流動狀態認為是不可壓縮黏性湍流流動,發動機在穩定工況運行時，燃燒室內的溫度和混合氣的流動是周期性變化的,燃燒室壁面傳入的熱量也是周期性變化的，不過這些周期性波動對燃燒室壁面溫度的影響只局限在離壁面很近的層面，壁面深層溫度是穩定的，因此,如果發動機在穩態工況工作，可以認為每個循環中氣缸蓋、氣缸套固體壁面與冷卻液的對流傳熱是一個穩定的傳熱過程[31]。因此,在計算中采用穩態的計算模式,用SIMPLEC算法進行計算，湍流模型選用k-epsion模型。計算中整體模型的邊界條件:水套入口采用速度進口0.46 m/s，由水泵流量換算得到；入口溫度給定為333 K;出口采用壓力出口，出口壓力為30 kPa。由于在CFD計算之前壁面溫度分布不容易確定,由相關文獻可知缸套和缸蓋的平均傳熱系數分別為3 863 W/(m2·K)和10 203 W/(m2·K)[32]，因此本研究缸套的初始值設置為缸套和缸蓋熱流量分別為77 260 W/(m2·K)和204 060 W/(m2·K)。缸內壁采用第三類邊界條件，并通過編寫udf實現。軸向方向上氣缸套內表面穩態傳熱邊界條件的分布規律如下[33]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：β=h/s(0≤β≤s)；K1=0.573(S/D)0.24，K2=1.45K1；Tg為缸內燃氣瞬時溫度；ag為缸內燃氣瞬時放熱系數；S為沖程,D為缸徑。

由式(9)和式(10)可以求得缸內壁軸向方向距氣缸頂部h(0

3 CFD模擬計算及結果分析

計算完成后查看冷卻液進出口流量，發現進出口流速差值為9.376×10-12kg/s，誤差幾乎為0，可以認為達到平衡，計算收斂。

3.1 水套溫度場

圖4示出了水套溫度分布云圖，圖5示出水套流速分布。從圖4可以看出冷卻液整體溫度分布不是很均勻，缸蓋溫度比缸體溫度高，左側1缸的水套溫度最高，表明其冷卻較差，2缸次之；缸體水套上部壁面溫度較高，這是由于發動機缸體的上半部分離燃燒室較近，其所受熱負荷從上到下逐漸降低。鑒于此，缸體水套的結構應該滿足冷卻液流速上部高、下部低的要求，因此可以考慮將進水口位置適當上調來改善燃燒室散熱。

圖4 使用原冷卻液時的溫度分布

圖5 使用原冷卻液時的流線分布

結合圖6和圖7可以看出，隨著納米顆粒的加入，冷卻水套高溫部分明顯減少，與乙二醇冷卻液相比,使用Fe3O4-乙二醇納米流體，水套冷卻腔壁面溫度明顯減小，可見納米流體能夠顯著改善冷卻效果。由圖5的流線圖可以看出，冷卻液在進入水套后并不是單向流動，而是一部分沿著缸套橫向流動，另一部分經上水孔流入缸蓋。顯然一大部分冷卻液經4缸上水孔進入缸蓋后，直接流向了暖風口，這部分冷卻液并沒有得到充分利用就被排出，造成浪費，也使得遠離進水口即1缸處冷卻液流量不足。由圖5可知，左邊第1缸水套處流動不夠順暢，流線較稀，流速較小，而且水套水堵處沒有流線經過，存在死區，由于流經此處的冷卻液較少，且該處距離進口最遠，冷卻液溫度較高，導致此處冷卻較差，這解釋了溫度云圖中1缸水套和水堵處溫度過高的現象。同時發現冷卻液在由缸體進入缸蓋水套后產生了渦流，這增大了流動阻力和壓力損耗，不利于散熱。由圖6和圖7可知，采用納米流體后，這兩處高溫區域均有較大改善，溫度明顯下降。經計算，缸蓋水套表面平均溫度降低了6.89 ℃,具體見表2。

圖6 使用原冷卻液時的水套截面溫度分布

圖7 使用5%Fe3O4納米流體時的水套截面溫度分布

冷卻液平均溫度/K1缸中心截面2缸中心截面3缸中心截面4缸中心截面缸蓋水套表面缸體水套表面原冷卻液337．44337．68335．59335．70400．67361．432%納米流體337．29337．10335．21335．18393．78358．675%納米流體337．10336．72335．53335．03390．35357．20

3.2 水套速度場

圖8和圖9示出了水套截面的速度分布。由圖可知水套左右兩邊的流速分布不太均勻，冷卻水在進水口和出水口附近流速較大，而背對進水口一側遠離進水口處流速較小，最低低至1.6 m/s，散熱相對較差。從4缸到1缸氣缸中心截面處冷卻水平均流速分別為2.22，2.01，1.75,1.76 m/s，可見隨著流動行程的加大,各缸冷卻水流速依次降低。從圖中還可以看出，內燃機缸蓋冷卻水套內冷卻液在水堵處的速度幾乎為0，這主要是由缸蓋冷卻水套本身的結構造成，此處的冷卻效果較差，這解釋了溫度云圖中該處溫度較高的現象。

圖9 使用5%納米流體時冷卻水套截面的速度云圖

3.3 水套壓力場

對于壓力損失的整體要求是在滿足冷卻的情況下，壓力損失越小越好。由圖10可見,水套的主要壓力損失發生在氣缸墊的上水孔和氣缸蓋的出水孔處,這是因為在這些區域流速較高,而且孔口直徑較小,易產生節流損失,導致壓損增加。而且在有些小孔處和缸蓋水套彎曲區域有渦流生成,這增加了壓降。在保證同樣速度進口條件下，經過計算，使用原冷卻液、2%和5%濃度納米流體，水套進出口的壓力損失分別為45.24 kPa，49.52 kPa，53.80 kPa。使用2%和5%納米流體后，冷卻系統的壓降分別增加9.46%和18.92%，在可接受范圍內。

圖10 使用5%納米流體時冷卻水套的壓力云圖

4 模擬結果的對比驗證

由于發動機冷卻水腔結構復雜，很難用試驗的方法了解水套內部流動情況，本研究使用計算軟件CFX對該直噴汽油機冷卻系統進行了驗證計算。CFX采用了基于有限元的有限體積離散方法，既有有限體積法的守恒特性，又有有限元法數值精確的優點。由圖11的溫度云圖可見，CFX計算的溫度分布呈上高下低，左高右低的趨勢，對比圖6可見，兩款軟件得到的溫度分布是相似的，雖然二者算法有區別，但是校驗得到結果是一致的，證明了本模型的準確性和可靠性。

圖11 CFX計算得到的原冷卻液水套截面溫度云圖

學者們經過大量試驗綜合得到內燃機冷卻水腔壁面傳熱系數的經驗公式：

(13)

式中：vm是冷卻液的平均流速。在本發動機缸體底部上方32 mm處截取一平面，統計得出其平均流速為2.25 m/s，代入式(13)，通過計算得hw=3 489 W/(m2·K)，與本計算模型邊界初始值3 863 W/(m2·K)相比誤差為9.68%，相差不大，可以接受。綜上，經過不同計算模型對比和經驗公式反算，可知本計算模型傳熱計算可達到所需精度，其計算結果能夠較精確地反映實際水流情況。

5 結論

a) 和傳統冷卻液相比，Fe3O4納米流體作為冷卻介質時,可以改善直噴汽油機的散熱性能,缸蓋水套表面平均溫度降低，水套溫度明顯下降，而壓力損失變化不大；

b) 本研究中流動死區和漩渦區阻礙流動，使得水套壓損偏大，壓損為45 kPa左右；

c) 發動機冷卻水套內的冷卻液流動存在低流速區域，主要是在第1缸處，這可能會導致第1缸的局部熱負荷較高，需要進行優化；

d) 通過建立的水套冷卻水傳熱系統模型驗證了納米流體對直噴汽油機冷卻散熱的強化作用，同時采用udf函數考慮了流體的導熱系數、比熱容等物性參數隨溫度的影響，更加準確可靠，解決了傳統傳熱模擬用常數計算不準確誤差大的問題，計算結果與經驗公式誤差低于10%，可見本模型可較好地模擬水套冷卻水的穩態傳熱。

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[編輯： 姜曉博]

Heat Transfer of Water Jacket for GDI Engine Based on Fe3O4-Glycol Nano-Fluid

XU Mengjie, WANG Xihui

(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The glycol coolant added with Fe3O4nano particles was used as the coolant of gasoline direct injection engine. Then the heat transfer of water jacket flowed through by different prepared coolants was analyzed with CFD Fluent software and the computation accuracy improved by considering the change of physical parameters such as thermal conductivity and specific heat capacity with temperature. The flow field, the pressure field and the wall temperature distribution were obtained by the simulation. The results indicate that nano-fluid can improve the engine heat transfer capability. The wall temperature of water jacket drops evidently and the higher mixing concentration leads to better cooling effect.

nano-fluid； gasoline direct injection engine； water jacket； simulation

2016-12-05；

2017-03-08

Ningbo International Cooperation Program (Grant No. 2015D10018)

徐夢杰(1991—)，男，碩士，主要研究方向為納米流體在直噴汽油機上的應用；1522774203@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.003

TK414.2

B

1001-2222(2017)02-0012-07