納米流體流動和散熱規(guī)律對氫內(nèi)燃機的影響

劉 棟

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

引言

納米流體在能源、化工、汽車、建筑、微電子、信息等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景，從而成為材料、物理、化學(xué)、傳熱學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究熱點[1]。納米流體在提高流體換熱能力的同時，由于小尺寸效應(yīng)和布朗運動，與傳統(tǒng)添加微米或毫米固體粒子的流體相比，懸浮穩(wěn)定性更好[2]。近些年在清潔能源的研究上，受到了各方學(xué)者的廣泛關(guān)注，一些發(fā)達國家都制定了相應(yīng)的對氫能源發(fā)展的戰(zhàn)略性計劃[3]。但是氫發(fā)動機至今沒有廣泛的應(yīng)用開來主要面臨自身的挑戰(zhàn)，容易發(fā)生早燃、回火和高熱負(fù)荷等原因。本次數(shù)值模擬就是研究納米流體流動和散熱規(guī)律，尋求減少燃燒熱和提高散熱效率的新途徑。

1 研究方案

本文通過建立數(shù)值模型，以氧化石墨烯乙二醇混合納米流體作為傳熱工質(zhì)對氫內(nèi)燃機散熱規(guī)律進行研究，模擬中氧化石墨烯納米流體的體積分?jǐn)?shù)分別為 0%，1%，2%，5%和7%，并保證進口流量一定，即入口質(zhì)量流量不變且混合流體中乙二醇體積分?jǐn)?shù)保持不變。

2 仿真模型

2.1 物理模型

模擬采用發(fā)動機內(nèi)的缸蓋水腔，氣缸蓋結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜，受力大而不均勻，各部分溫度分布也不均勻。因此，對缸蓋的冷卻是十分重要的。三維數(shù)值模擬中，高質(zhì)量網(wǎng)格是實現(xiàn)數(shù)值模擬的首要前提條件，網(wǎng)格過疏或者過密都會對計算產(chǎn)生很大的影響。本文在網(wǎng)格劃分中主要采用非結(jié)構(gòu)體的六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格不但可以使得計算機網(wǎng)格數(shù)目減少，而且計算精度高，適應(yīng)算法也較多。圖1為氫內(nèi)燃機冷卻水套網(wǎng)格模型。

圖1 氫內(nèi)燃機冷卻水套網(wǎng)格模型

2.2 初始條件

冷卻水進口流體的溫度變化范圍：85℃-95℃，本文選取363.15K；出口表壓變化范圍：0.08-0.15MPa，本文選取0.1MPa；進口流量：1.02Kg/s-2.5 Kg/s，本文選取1.02Kg/s。

3 結(jié)果分析

3.1 不同氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)下水腔整體計算結(jié)果分析

表1為水腔整體速度場和溫度場參數(shù)對比，由于進出口結(jié)構(gòu)相同且二者的水力直徑相同，從進口和出口平均速度來看，當(dāng)氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)從0%到7%的過程中，進出口的平均速度逐漸減小。當(dāng)進口質(zhì)流量一定時，氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)增大，混合流體的密度和粘度都增大。當(dāng)粘度增大了流體的阻力必然增大，阻礙了粒子的進程，從而導(dǎo)致流體速度變小。

表1 水腔整體速度場和溫度場參數(shù)對比

表1可以看出，隨著氧化石墨烯粒子體積分?jǐn)?shù)的增大，進出口的溫度差是逐漸增大的，設(shè)置進口溫度同為363.15K，出口溫度是在增加的。從整體上來看，在進口質(zhì)流量和進口溫度一定時，氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，冷卻性能逐漸降低。上述現(xiàn)象可解釋為速度快的區(qū)域相同時間內(nèi)流過的納米流體多，在一定熱量的情況下，混合納米流體就會帶走更多的熱量。而隨著氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，混合納米流體密度和粘度變大，進出口的速度變小，缸蓋整體區(qū)域的流速也會變低。速度變低，相同時間內(nèi)，帶走的熱量將會降低，整體的溫度就會變高，導(dǎo)致散熱情況不好。

3.2 不同氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)下水腔高溫區(qū)域計算結(jié)果分析

水腔高溫區(qū)域主要集中在排氣管道壁面和鼻梁區(qū)兩處，表2所示為排氣管道壁面和鼻梁區(qū)計算數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 排氣管道壁面和鼻梁區(qū)

由表2可得，隨著氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，排氣管道壁面平均溫度逐漸增加，氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)在0%-1%過程中，熱流率隨著其體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，而當(dāng)氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)超過 1%時，熱流率呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。故體積分?jǐn)?shù)為 1%左右時應(yīng)該達到了相對理想的狀態(tài)，此時與基液相比熱流率提高了6.25%，故氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)在1%時對內(nèi)燃機的冷卻效果最好。

而鼻梁區(qū)隨著氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，溫度是在上升的。隨著氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)的增加，速度變化規(guī)律出現(xiàn)波動情況，同時熱流率也呈現(xiàn)不規(guī)則變化。猜測主要由于鼻梁區(qū)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)較強的湍流或回流現(xiàn)象，使得速度出現(xiàn)不規(guī)律的變化，從而影響了熱流率值的大小。

4 結(jié)論

對于水腔整體而言，增大氧化石墨烯的體積分?jǐn)?shù)，其密度和粘度都會增大，在進口質(zhì)流量一定的情況下，納米流體的整體速度會變小，使散熱惡化；粘度的增大也將使流動阻力增大，增加功耗。

在氧化石墨烯納米粒子體積分?jǐn)?shù)為 1%時，高溫區(qū)的熱流率相比基液都有了提高。而鼻梁區(qū)本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)較強的湍流或者回流現(xiàn)象，使得速度出現(xiàn)不規(guī)律的變化，從而影響了熱流率值的大小，熱流率出現(xiàn)波動情況。

[1] 喬峰.Ag.石墨烯納米流體的制備及性能研究[D].青島:青島科技大學(xué),2010.

[2] 李艷嬌,趙凱,羅志峰等.納米流體的研究進展[J].材料導(dǎo)報.2008（11）:87-91.

[3] 傅捷.氣泡行為的可視化研究[D].武漢:武漢工程大學(xué),2012.