兩相流振蕩流動特性的可視化實驗研究

摘 要：為了解決活塞內冷油腔中氣液兩相流的振蕩傳熱問題，設計并搭建了由柴油機改裝的往復振蕩實驗裝置，利用高速攝像技術對內冷油腔實驗件中氣液兩相流的振蕩流動過程進行了可視化觀測實驗，分析在不同轉速和液體填充率下實驗件中氣液兩相流在起振階段和充分振蕩階段的振蕩流動形態。結果表明：在起振階段，氣液兩相的分界面明顯，沒有強烈的湍流混合運動，在充分振蕩階段，液體的運動規律及流動形態呈周期性變化；轉速主要影響氣液兩相流的湍流強度，填充率主要影響氣液兩相流的流動形態。研究結果揭示了內冷油腔中氣液兩相流的振蕩流動規律，可為高強化活塞的結構優化設計提供參考。

關鍵詞：內燃機工程；內冷油腔；氣液兩相流；振蕩流動；可視化

中圖分類號：TK423

文獻標識碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2024yx01004

收稿日期：2023-08-08；修回日期：2023-11-01；責任編輯：馮 民

基金項目：教育部“春暉計劃”合作科研項目（HZKY20220237）；河北省自然科學基金（E202208009）；河北省省級科技計劃軟科學研究專項資助項目（22557664D）

第一作者簡介：朱海榮（1979—），女，河北廊坊人，副教授，博士，主要從事流體傳熱傳質方面的研究。

通信作者：王釗，工程師。E-mail：66680821@qq.com

朱海榮，肖旭，張凱倫，等.兩相流振蕩流動特性的可視化實驗研究[J].河北科技大學學報，2024，45（1）：35-43.

ZHU Hairong，XIAO Xu，ZHANG Kailun，et al.Visualization experiment study on oscillatory flow characteristics of two-phase flow[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2024，45（1）：35-43.Visualization experiment study on oscillatory flow

characteristics of two-phase flow

ZHU Hairong¹， XIAO Xu¹， ZHANG Kailun¹， LI Lin¹， WANG Zhao²

（1.School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

2.Hebei Tuopu Machinery Electric Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：In order to solve the oscillatory heat transfer problem of gas-liquid two-phase flow of cooling oil gallery of piston， a reciprocating oscillatory experimental device reformed by diesel engine was designed and established. The oscillatory flow process of gas-liquid two-phase flow in a test piece was visualized by high-speed camera technology， and the oscillatory flow patterns of gas-liquid two-phase flow in the test piece at initial and full oscillation stage under different rotation speed and liquid filling rate were analyzed respectively. The results show that at initial oscillation stage， the interface between gas and liquid is obvious， and there is no intense turbulent mixing motion. At full oscillation stage， the movement law and flow pattern of liquid change periodically. Rotational speed mainly affects the turbulence intensity of gas-liquid two-phase flow， while the liquid filling rate mainly affects the flow pattern of gas-liquid two-phase flow. The research results reveal the oscillatory flow rules of gas-liquid two-phase flow in cooling oil gallery， and also provide a reference for the structural optimization design of the highly-intensified piston in the future.

Keywords：internal combustion engine engineering; cooling oil gallery; gas-liquid two-phase flow; oscillatory flow; visualization

柴油機作為主要的動力輸出設備，經過長期改進，其功率相比于以前有了較大提升，強化程度不斷提高^[1]，與此同時，其零部件所承受的機械負荷及熱負荷也隨之增大，這就要求柴油機的機械結構及其零部件具有更高的強度^[2-4]。有研究表明，采用振蕩冷卻的方法可以使活塞的頂面溫度下降近40 ℃^[5]，因此研究活塞的振蕩冷卻機理，降低活塞工作時所承受的過高熱負荷，既對增強柴油機的可靠性具有重大意義^[6-8]，又對振蕩冷卻的實際應用有一定的指導作用^[9-10]。

活塞可視化觀測實驗主要出現在2010年前后，由于高速攝影技術的不斷發展，高速相機被用于活塞振蕩實驗中拍攝工質在油腔中的振蕩流動過程。如2011年北京理工大學開發的發動機活塞振蕩冷卻試驗裝置^[11]，2014年中國北方發動機研究所開發的活塞振蕩油腔試驗模擬裝置^[12]等。WANG等^[10]搭建了相關的活塞振蕩可視化試驗臺，使用高速相機拍攝了規則長方形油腔內的純水工質在不同曲軸轉角下的圖像，以電機轉速和方形容腔的填充率作為變量，探究了不同工況下的多相流流動形態。LV等^[13]采用高速攝像機捕捉了在不同曲柄角度下簡化活塞振蕩實驗件內水和空氣的流動模式，探討了氣液兩相流往復運動過程中的換熱機理。DENG等^[14]設計并搭建了活塞內冷油腔振蕩傳熱試驗臺，拍攝了內冷油腔內工質的運動情況，并開展了傳熱實驗研究轉速和噴油速率對振蕩換熱的影響。胡定云等^[15]研究了在不同的曲軸轉角下，機油在內冷油腔內的流態和傳熱特性，得到了內冷油腔壁面機油分布、傳熱系數等隨曲軸轉角的變化規律。黃鈺期等^[16]設計并搭建一個活塞振蕩兩相流可視化模擬試驗臺，利用3D打印技術還原某型號柴油機的活塞內冷油腔，針對甘油水溶液以及大豆油兩種不同的冷卻介質，在可視化拍攝流場圖像的同時，收集出油數據并計算通過率。郭凱^[17]基于船用柴油發動機設計和建造了具有真實活塞形狀冷卻油腔的活塞振蕩試驗臺，搭建了活塞振蕩臺的可視化測量系統，開展了不同工作狀態下的真實活塞振蕩腔內的潤滑油振蕩形態可視化試驗。許函聰等^[18]以船用柴油發動機進行數值研究，發現數值計算能夠模擬活塞冷卻油腔內甩流、斷流、撞壁回流、振蕩和沉降等一系列流動特征。以上研究或不斷改進可視化實驗裝置，完善高速攝影的拍攝方法，或通過數值計算模擬活塞油腔內流動特性，但關于冷卻油腔內氣液兩相流的振蕩流動形態分析卻很少，而這與內冷油腔內氣液兩相流的振蕩傳熱機理密切相關。

本研究設計并建立了由柴油機改裝的振蕩流動與傳熱實驗裝置，采用高速攝影技術對實驗件模型內的氣液兩相流的振蕩流動形態進行可視化觀測實驗，得到在不同實驗條件（不同柴油機轉速、不同機油填充率）下氣液兩相流在起振和充分振蕩階段的湍流結構以及振蕩流動規律。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

根據實驗要求，本文設計并建立了由柴油機改裝的振蕩流動與傳熱實驗裝置，整體結構如圖1所示，主要包括實驗主機、可移動機罩、安全防護罩和控制柜。主體部分結構如圖2所示，主要包括主體機架、電機固定座、伺服電機、萬向聯軸器、實驗件、實驗主機、減震橡膠腳墊等。選擇的伺服電機型號為 MHMF082L1U2M，與伺服電機配套的驅動器型號為 MCDLT35SF。實驗裝置工作原理是：由控制系統控制伺服電機，通電后，伺服電機帶動柴油機組轉動，帶動固定于活塞上的實驗件上下往復直線運動，同時高速攝像機捕捉氣液兩相的瞬時流動形態，完成對實驗件的可視化觀測。

1.2 實驗件

活塞為金屬不透明結構，其內部的內冷油腔一般為環形，且空間狹隘，結構復雜。為了得到清晰的氣液兩相流振蕩流動形態圖像，把活塞油腔實驗件設計為長方體結構。選擇鋁合金材料作為實驗件的上、下及兩側壁面，透明石英玻璃作為實驗件的前、后壁面，實驗件模型如圖3所示，由鋁合金板和透明石英玻璃圍成的立方體實驗件尺寸為128 mm×28 mm×22 mm，有效觀測面積為128 mm×22 mm。由于活塞的不透明、內冷油腔環境的復雜以及機油自身特性的影響，很難對其進行可視化觀測實驗，故選擇液體介質去離子水替代機油對其進行可視化觀測實驗。圖4為活塞上止點（TDC）和下止點（BDC）位置示意圖。

1.3 可視化觀測系統

實驗中采用德國PCO公司的pco.1200S高分辨率高速攝像機對實驗件空腔內的液體流動形態進行拍攝，幀率為500～32 023 f/s，最大分辨率為1 280×1 024。高速攝像機如圖5所示，其操作由電腦軟件控制，拍攝時置于實驗臺正前方約1 m位置，調整焦距至圖像清晰，并在兩側放置攝像燈以提高圖像清晰度，如圖6所示。

1.4 實驗方法

1）在實驗開始前，把實驗裝置周圍與實驗無關的物體清空；準備好注射器，用于注入液體介質；檢查液體介質是否為去離子水，液體中是否有雜質，是否過保質期；檢查裝置是否正常；檢查實驗件是否固定。

2）取下安全防護罩，在實驗件空腔內注入實驗方案中設定的液體量，再次把安全防護罩放置到位。

3）安裝可視化觀測系統即高速攝像機及各光源，打開實驗室電源給控制高速攝像機和顯示圖像的電腦、高速攝像機以及各光源通電并將其打開，調整高速攝像機高度，設置各參數，使高速攝像機中的圖像清晰可見，并且要避免實驗件形成的陰影對拍攝造成影響。

4）給實驗裝置控制柜通電，打開控制柜內的電腦，打開運動控制軟件和相機控制軟件，單擊總電源控制區域的“啟動”按鈕，給實驗裝置通電，調整伺服電機運行模式為變速運行模式，設定伺服電機運行速度、運行圈數、加減速時間，單擊啟動電機，高速攝像機同時自動開始錄制，當電機達到運行圈數時，電機停止，同時停止圖像的拍攝。

5）檢查拍攝效果，導出圖像。

6）關閉實驗裝置電源，關閉高速攝像機和控制柜內電腦，切斷控制柜電源及各燈源，切斷實驗室電源。

7）排出實驗件液體，至此實驗結束。以上為本實驗的詳細操作步驟，每次實驗開始前實驗件空腔模型都位于活塞行程的最低點位置，然后重復操作以上所需的步驟。

2 兩相流振蕩流態分析

有學者認為液體填充率范圍在30%～60%時，內燃機活塞內冷油腔壁面傳熱系數最佳^[19-20]，也有學者實驗研究了20%～80%的液體填充率下氣液兩相流的振蕩流動特性^[13，21]。本文以20%～80%的液體填充率討論氣液兩相流振蕩流動形態及其對傳熱效果的影響。

2.1 兩相流起振階段的流動形態

本文選液體填充率為30%、轉速為300 r/min時的兩相流振蕩流動過程進行分析，如圖7所示。實驗件從下止點（BDC）靜止開始起振，向上運行到上止點（TDC），反向再次運行到下止點為一個循環，其中上止點1為實驗件第1次到達活塞行程最高點位置，下止點2為實驗件第2次到達活塞行程最低點位置，90°-5為第5個循環中實驗件從下止點上行90°時的位置，270°-9為第9個循環中實驗件從上止點下行90°時的位置，本文關于此的命名方式相同。

在起振階段，氣液兩相流的液相和氣相的分界面較為明顯，沒有比較強烈的混合，液體的湍流運動不明顯，此時上壁面的熱量是通過氣相向下傳遞，熱量不易傳遞。隨著轉速的增加，液體速度也逐漸增加，有“爬壁”趨勢，與中間液柱形成“ω”形液相，到上止點9位置時，轉為貼著上壁進行“貼壁”運動，但由于液體流速的不足，“貼壁”運動至上壁面某處便向下墜去。此階段實驗件內液相逐漸增多，熱量傳遞加快，且液體下落后壁面附著水珠，有利于上壁面降溫。

2.2 兩相流充分振蕩階段的流動形態

柴油機達到預定轉速并運行平穩后，振蕩流場趨于穩定，此時實驗件內液體往復運動有規律且周期恒定。以30%液體填充率、轉速300 r/min的一個穩定循環為例對氣液兩相流充分振蕩階段的流動形態進行分析，其流動形態如圖8所示，其中圖8 a）和圖8 p）為90°位置，圖8 f）為上止點位置，圖8 n）為下止點位置。

圖8 a）—f）為實驗件從90°到上止點過程。由圖8 a）可知，此時液面輪廓相對比較平緩，但其液面卻處于一個強烈的波動狀態，并且部分上次循環液體滯留在上壁面上，這些液體在下墜的過程中，在氣相中形成斷斷續續的水幕，這層水幕便于上壁面的熱量向下傳遞；由圖8 b）—e）可知，兩側液團逐漸到達上壁面，由“爬壁”運動演化為“貼壁”運動；圖8 f）—n）為上止點位置轉而向下運動過程，其中f）—i）顯示，兩側液團在上壁面的阻擋下沿上壁面做橫向運動，并且由于有氣體進入，與下液面形成小的空腔；j）—k）顯示，在實驗件轉向向下運動時由于液體慣性力的存在撞擊到上壁面，液體破碎、飛濺，形成無數液滴和氣泡混雜在一起，此時液體的湍流強度達到最大，并且先行下墜液體與部分正在上升液體碰撞混合，進一步增加了液體的無序性；l）—n）顯示，碰撞后的液體一起向下壁面墜去，此時液體的速度經過上壁面的反彈后已經超出實驗件的速度，在到達下止點位置前這些液體夾雜著氣體已經到達下壁面并進行了撞擊，而且有少量液體被反彈向上運動，形成較大的氣泡，此時氣相中也再一次形成新的水幕。由圖8 o）—p）可知，實驗件到達下止點位置后開始轉向向上運動，反彈向上的液體失去了慣性力后開始下落與下方的液體再次混合，大氣泡也在混合后變成小氣泡，最終液面再次趨于平緩且接近于圖8 a），再次開始爬壁過程。

通過重復以上過程可知，氣液兩相流振蕩流動在充分振蕩階段時，其運動規律及其流動形態呈周期性變化，液體獲得較大速度和慣性力后，會在實驗件側壁進行“爬壁”運動，并與上壁面撞擊后轉變為貼上壁面的橫向運動，然后下墜形成水幕，受黏度影響壁面還滯留部分液體。隨著往復運動過程對側壁面的不斷沖刷，可以提高整體的傳熱系數，水幕可以額外吸熱冷卻，另外液體附著也可提高整體散熱。

通過實驗還發現，液體在對上壁面進行沖擊時，首先發生在上壁面兩端，其次才是中間部位，但經過幾個循環后，會轉變為先沖擊中間部位，再是上壁面兩端，并且由于液體速度大小和方向的不同，不是所有液體都會到達上壁面使底部呈現空腔的狀態，總會有少部分液體留在下壁面，其內部在劇烈翻滾，在上方的液體對上壁面進行沖擊向下回落時這些少部分液體才會向上運動，并最終與回落的液體相撞后一同再次落下。在液體流動的過程中，液體內部會由于液體擠壓、碰撞產生各種尺度的氣泡，使湍動能不斷加劇。

3 兩相流振蕩流動形態的影響因素

3.1 轉速對兩相流振蕩流動形態的影響

受實驗條件所限且實驗臺最高轉速已可滿足對實驗規律的探究，以液體填充率為30%，轉速分別為200，300，400，500，600和700 r/min的氣液兩相流振動流動過程為例進行研究，在達到設定轉速并運行平穩后，分別選取其中一個循環，探究氣液兩相流振蕩流動形態。90°和270°為此循環內曲軸轉角轉過的角度。

圖9為在不同轉速下實驗件內氣液兩相流的流動形態。通過對比以上各圖可知，無論轉速高低，實驗件在90°附近時，內部都會短暫的有趨于平緩的液面，此時實驗件內有較為明顯的氣相與液相的分界面，轉速越低越明顯。雖然在這段極短的時間內液面趨于平緩，但液體內部有較為強烈的湍流脈動特征，有無數的細小氣泡，其液面也處于不斷的波動狀態，但在不同的轉速下湍流脈動特征并不相同。

在轉速為200 r/min時，轉動產生的慣性力并不足以使液體輕易上升，液體在下方時間較多，當達到上止點時，液體尚未達到上壁面，此時實驗件向下運動與液體碰撞，碰撞力度相對較小，沒有較多液滴破碎和液膜形成，不利于傳熱；在轉速為300 r/min時，與200 r/min液體形態類似，但是液體慣性力有所增強，如圖所示，當轉速達到400和500 r/min 時，氣相與液相的分界面開始模糊，說明在此分界面上已經有更加細小的液滴形成，液體內部湍流強度得到了增強，在與上壁面撞擊后破碎的液滴也更多。當轉速達到700 r/min時，在90°附近位置，此時的液面已經不再平緩，兩端的液體即將接觸到上壁面，氣相變得更加模糊，說明此時氣相中已經形成了更多細小的液滴或霧滴。在實驗件向下止點位置運動時，液體與上壁面撞擊后在下降的過程中，與下方正在上升的液體再次猛烈撞擊，然后繼續向下運動，受撞擊液體開始破碎，飛濺再落下。同時使上壁面覆蓋著一層液膜，氣相中也有水幕形成，這將持續提升傳熱效果，又由于此時轉速較高，實驗件速度較快，上壁面覆蓋的液滴和液膜還沒來得及完全落下就被下一循環形成的液滴和液膜所替代，與低轉速下液體的流動形態相比，這極大地促進了上壁面的熱量向液相中的傳遞。這說明，轉速提高使氣液兩相流振蕩流場波動劇烈，穩定性較差，液體中充滿了較為細密的小尺度氣泡，氣泡的運動、聚合、破碎伴隨著動量的不斷交換增加了流場的湍流脈動，更加劇了流場的不穩定性，因此轉速是影響流場湍動能大小即流場穩定與否的根本因素。

3.2 填充率對兩相流振蕩流動形態的影響

通過文獻[19-22]的模擬結果可知，在固定轉速下，液體填充率是影響傳熱效果的因素之一。由上節可知，在相同的液體填充率下，充分振蕩時低轉速與高轉速下的液體流動形態差異較大，但總體上液體的流動形態隨曲軸轉角周期性變化，尤其在較高轉速時，不同轉速間的液體流動形態差異很小。以下將以轉速分別為200和600 r/min，實驗件內液體填充率分別為20%，30%，40%，50%，60%，70%和80%為例，在達到設定轉速并運行平穩后，分別選取其中一個循環，探究氣液兩相流振蕩流動時液體填充率對傳熱效果的影響。

圖10為轉速在200 r/min時活塞內冷油腔實驗件內氣液兩相流的流動形態。當液體填充率為20%和30%時，液體的慣性力較小，重力為主要影響因素，此時較少有液滴破碎，盡管上壁面有液膜和少量液滴但不能被后續沖擊及時替換；當填充率為40%和50%時，在上止點位置，液體可以到達上壁面，在撞擊后形成空腔并產生大量氣泡，液體的湍流強度增強，但整個過程中，液體主要位于實驗件下方，降溫效果并不好；當填充率達到60%時，液體的晃動程度進一步增大；當液體填充率繼續增加達到70%和80%時，液體在實驗件內的位移已經很小，由于液體行程變小，氣體含量較少以及水表面張力的原因，氣體完全被液體包圍，不易與液體混合，并不利于傳熱，反而使降溫效果更差，因此可知，液體填充并非越多越好。

圖11為轉速在600 r/min時活塞內冷油腔實驗件內氣液兩相流的流動形態。當轉速增加到600 r/min時，液體的流動形態已經發生了較大的變化，此時重力對液體流態的影響已經很小，即使填充率僅為20%或30%，液體也能對上壁面進行強烈地撞擊，并且在撞擊后破碎生成大量細小的霧滴，但由于液體較少，上壁面覆蓋的液膜和液滴在高頻率振蕩下尚未與后續液體撞擊便與上壁面分離，液體在上壁面停滯的時間較短，且不能及時替換，上壁面依然和氣體接觸較多，所以在低填充率下，其傳熱效果并不好。當液體填充率繼續增加至40%，50%和60%時，液體在實驗件內運動更加劇烈，生成了較多的氣泡，當液體在上止點位置換向向下運動時，上壁面得到了更加猛烈的沖擊，液體均勻地分布在實驗件內，與氣體混合得更加充分，同時上壁面覆蓋的液膜和黏附的液滴也更多，這增加了液體的傳熱特性。當液體填充率為70%和80%時，液體的流動形態再次發生變化，其在上止點位置時與其他填充率下相比有了更加完整的較大氣泡，當大量液體上行時，由于較短的行程使得液體與上壁面的撞擊力度變小，液體得不到更加充分的破碎，氣體不能與液體充分混合而被擠壓，最終被液體包圍，氣體中的熱量也不能被液體及時吸收，同時由于撞擊力度的不足，也使得上壁面停滯的高溫液膜得不到替換而使得冷卻效果被削弱。當液體與上壁面接觸時，不論是兩側沖擊、中間蕩起的沖擊、還是橫向“繞壁”運動，都會使壁面換熱系數大幅增加，造成壁面溫度大幅下降；而當液體主要集中在空腔底部區域不與上壁面接觸時，上壁面附近都是空氣相，此時壁面換熱系數較小，因此壁面溫度較高。由此可見，在本文轉速范圍內，空腔壁面換熱效果主要取決于空腔內的液體填充率。在不同的填充率下，液體沖擊壁面時壁面換熱系數最大，壁面換熱效果最好；而轉速的變化只能影響流場的穩定性，即在同一填充率下，增大轉速可以增大流場的湍動性能，從而也能影響壁面換熱效果。

4 結 語

1）氣液兩相流在初始振蕩階段沒有強烈的混合，液體的湍流運動不明顯；充分振蕩階段，其流動形態呈周期性變化，此外，在對上壁面進行沖擊時，首先發生在上壁面兩端，然后是中間部位，但在幾個循環后會轉變為先沖擊中間，然后是兩端部位。

2）轉速的高低與氣液兩相流的流動形態有密切關系，隨著轉速的持續增加，兩相流的振蕩流動形態差異會逐漸變小，最終極其相似，轉速對氣液兩相流的流動形態影響也越來越小。

3）在低轉速下，液體與上壁面的撞擊力度較小，沒有較多的液滴破碎，液體在實驗件下方的時間較多；在高轉速下，液體與氣體的混合更加充分，湍流強度更強，上壁面覆蓋的液膜和液滴也更多。但無論轉速高低，當液體填充率達到70%或80%時，液體與氣體都不能進行充分地混合，液體內部將生成較大的氣泡，不利于對上壁面熱量的吸收。

4）轉速主要對氣液兩相流的湍流強度和液體內氣泡產生影響，轉速越高，湍流強度越強，氣泡越小越密；填充率主要對氣液兩相流的流動形態產生影響，隨著填充率的增加，液體與氣體的混合程度也隨之增加，但填充率過大時，液體與氣體的混合程度反而會減小。

本文通過可視化實驗研究獲得了氣液兩相流的振蕩流動特性，但未對其傳熱效果進行定量研究，后續將研究如何同步開展活塞測溫實驗，針對不同影響因素對活塞的降溫效果進行定量研究。

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