矩形通道内过冷流动沸腾传热特性试验研究

第３７卷第２期　内燃机工程　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２　２０１６年４月　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｒｉｌ．２０１６　文章编号：１０００－－０９２５（２０１６）ｏ２一ｏｌ１１一ｏ５　３７００４８　矩形通道内过冷流动沸腾传热特性试验研究　刘永丰　，王龙飞　，花仕洋　，杨震寰　，黄树和　，成立强　（１．中国北方发动机研究所，天津３００４００；２．华中科技大学能源与动力工程学院，武汉４３００７４）　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｎ　Ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　Ｆｌｏｗ　Ｂｏｉｌｉｎｇ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ａ　Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　Ｃｈａｎｎｅｌ　ＬＩＵ　Ｙｏｎｇ－ｆｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｌｏｎｇ－ｆｅｌ　，ＨＵＡ　Ｓｈｉ—ｙａｎｇ２，　ＹＡＮＧ　Ｚｈｅｎ－ｈｕａｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｓｈｕ－ｈｅ　，ＣＨＥＮＧ　Ｌｉ—ｑｉａｎｇ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｔｈ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｒｍ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ。ｕｓｉｎｇ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　ｗｉｔｈ　ＶＧＣＩ　ａｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｈｅａｄ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ’Ｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｒａｎｇｅ．Ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｒｏｍ　０．１　ＭＰａ　ｔｏ　０．２５　ＭＰａ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｒｏｍ　６０℃ｔｏ　９５℃，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｆｒｏｍ　０．３４７　ｍ／ｓ　ｔｏ　６　ｍ／ｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｃｏｏｌａｎｔ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｃａｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｂｕｔ　ｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｅａｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｉｌｌ　ａｆｆｅｃｔ　ｃｏｏｌａｎｔ　ｓｕｂｅｏｏｌｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｈｅ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｕｂｂｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｂｕｂｂｌｅｓ　ｗｉｌｌ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｆｌｏｗ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ　ｔｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　０．２　ＭＰａ，ｍａｉｎ　ｓｔｒｅａｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　９５℃ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　１　ｍ／ｓ。ｔｈｅ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｏｃｃｕｒｓ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅａｃｈｅｓ　１　７０℃ａｂｏｖｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　２１０℃，ｔｈｅ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｉｌｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｂｙ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　４０　ａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ．　摘要：以高强化发动机缸盖材料蠕铁作为加热块材料，在矩形通道内开展了接近发动机冷　却系统的不同流动＿Ｔ－；Ｋ下过冷沸腾传热特性的试验研究。流动工况取发动机常用范围：压力为　０．１０～０．２５　ＭＰａ，主流温度为６０￣９５℃，流速为０．３４７￣６　ｍ／ｓ。研究结果表明：提高冷却液流速　可以强化壁面对流换热强度，但是存在沸腾换热的低流速工况同样能够达到高流速．Ｔ－；Ｋ下换热　效果，系统压力和主流温度都会影响冷却液过冷度，进而影响沸腾传热效果。可视化结果表明：　气泡直径增大、生长频率升高及气泡之间相互作用都会使气泡对边界层流体扰动增强，从而提高　传热效率。在压力为０．２ＭＰａ、主流温度为９５℃、流速为１ｍ／ｓ工况下，在壁温达到１７０℃以上时　沸腾开始出现，在壁温达到２１０℃时，沸腾传热效率比单相对流换热提高了４Ｏ　以上。　关键词：内燃机；柴油机；冷却水腔；强制流动；过冷沸腾　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＣ　ｅｎｇｉｎｅ；ｄｉｅｓｅ１　ｅｎｇｉｎｅ；ｃｏｏｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｊ　ａｃｋｅｔ；ｆｏｒｃｅｄ　ｆｌｏｗ；　ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ＤＯＩ：１０．１３９４９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｎｒｊｇｃ．２０１６．０２．０２１　中图分类号：ＴＫ４２１　文献标识码：Ａ　收稿日期：２０１４－０１－１０　作者简介：刘永丰（１９８２一），男，博士，主要研究方向为多相流传热，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｙ－ａｎｙｗｎ＠１６３．ｃｏｉｎ。　内燃机工程　２０１６年第２期　０概述　随着高强化柴油机体积不断缩小，功率密度不断　提高，缸盖热负荷问题日显突出，对冷却系统要求越来　越高，沸腾传热由于其高传热性能，在发动机冷却系统　设计中受到越来越多的重视。在发动机冷却通道局部　利用过冷沸腾，一方面可以适度减少冷却液流量及冷却　Ｊ　Ｂ　ｑｗ　Ｃ　赠　对流区　—●。　／　一　／　／　／　水腔容积，提高其升功率；另一方面有利于减小受热零　／　过冷沸腾区　饱和沸腾区　部件内温度梯度和热应力，提高其可靠性ｌｌ１吨］。　文献［３］利用简单矩形管道进行了沸腾试验，不　仅指出冷却水通道的直径是影响临界热通量的关键　因素，而且指出在核沸腾区域毛坯铸件相比磨光的铝　件能增加热流密度。文献Ｅ４］在矩形通道内进行了低　流速（Ｏ．１～０．３　ｍ／ｓ）条件下来流温度对过冷沸腾传热　特性影响的试验研究。文献［５—６］采用数值方法对沸　腾传热特性进行研究，并应用于实际发动机缸盖水腔　计算。尽管科研人员在沸腾传热方面做了较为丰富　的试验研究，但所研究的材料较为单一，基本采用高　导热系数金属纯铜或铝合金作为加热块的材料［　喝］，　对于柴油机缸盖常用铸铁材料研究较少，且大多文献　只关注低流速下流动沸腾传热性能。　本文中试验装置以高强化发动机缸盖材料蠕铁　作为加热块材料，在矩形通道内开展了冷却液不同流　动条件下沸腾传热特性的试验研究，为沸腾传热在高　强化发动机冷却系统中的应用打下基础，为沸腾传热　数学模型的提出提供了验证数据，同时通过可视化窗　口对冷却水腔强制流动沸腾过程进行了观察。　１冷却水腔内的流动沸腾　在高强化发动机冷却水腔内，存在着流动沸腾现　象。如图ｌ所示，冷却流体流经高温壁面（Ｔｗ为壁面　温度），与壁面进行对流换热，到Ｂ点时，流体进入沸　腾阶段，此时主流区温度Ｔｆ低于液体饱和温度　，称　为过冷沸腾起始点，ＢＣ段内，壁面产生气泡附着在壁　面或脱离壁面后在下游运动中消灭，这时传热靠对流　和沸腾共同作用，称为过冷沸腾区。经过Ｃ点后，主　流温度达到了饱和温度，传热进入了饱和流动沸腾阶　段。采用过冷沸腾可以缩小传热温差，减少冷却液循　环流量，提高部件温度分布均匀性，一般在发动机设　计时都会将水腔内的沸腾传热控制在过冷流动沸腾　区，即冷却液温度控制在饱和温度以下。　２试验装置及方案　本文中试验装置专门用于类似发动机通道内的　冷却液过冷沸腾流动研究。图２为试验台架示意　轴向位置　图Ｉ强制流动过冷沸腾传热过程　图。冷却液循环回路系统主要由储液罐、循环水泵、　试验段、散热器及测量控制装置等组成。　加热棒　高速摄影机　图２试验台架示意图　如图３所示，试验段通道设计成水平矩形通道，　通道截面尺寸为２６ｍｍ￣１４ＩＴｌｒｎ。为了更贴合实际，　试验中加热块材料为蠕铁，嵌入试验段底板中，加热　面尺寸为９４　ｒｎｍＸ　１８　ｍｍ，通过高频感应的方式集中　给加热块底部进行加热，热电偶Ｍ代表距加热块顶面　２ＩＴｌｒｎ处的两个热电偶，热电偶Ｎ代表距加热块顶面　６　ｍｉｌｌ出的三个热电偶，其中一侧由盖板内嵌石英玻璃　组成可视化窗口，用来观察试验段的沸腾现象。　加热块　图３试验段剖面图　储气罐中为高压氮气，经过减压阀进入储液罐，　通过控制进入储液罐中氮气量来控制储液罐中压　力，并使试验段人口压力稳定在某个压力值。通过　加热棒对储液罐中的冷却液加热，启动温控系统，调　２０１６年第２期　内燃机工程　整冷却液温度。启动水泵，通过控制阀调整试验段　中流量，从而来控制试验段中流速。在压力、主流温　同流速对壁面热流密度影响状况。其中，　为冷却　水饱和温度。由图４可见，随着壁面过热度的升高，　速度从０．３４７ｍ／ｓ至１．２　ｍ／ｓ的五条热流密度曲线　均呈斜率逐渐变大趋势，但各流速工况下仍存在较　大的差异，随着壁面温度的继续增加其壁面换热量　强度差异在不断缩小，直至壁面温度到达约２１０　ｏＣ　时，五条曲线趋于一致。分析其原因是，随着壁面过　度和流速一定条件下，逐步增加高频感应器加热功　率，使壁面温度达到目标值。　从加热块顶面传人冷却液的热流密度，由傅里　叶导热定律可以计算，如式（１）所示。　ｑ—　．　０　（１）　热度的升高，受热面传热方式逐渐从以对流换热为　式中，ｑ为热流密度，ｗ／　；　为加热块的热导率，本文取　值为４６．５　ｗ／（ｍ·Ｋ）；ＴＮ、ＴＭ分别为热畦　觏４得的Ｍ、Ｎ　处平均温度；　为Ｍ、Ｎ点之间距离，本文中取值为４　ｎⅡｎ。　通过热流密度，插值计算出加热块顶面的壁温　Ｔｗ，如式（２）所示。　Ｔｗ—ＴＭ一＿ｑ￥ＭＷ　（２）　Ａ　式中，　为热电偶Ｍ到加热块顶面距离。　由加热块热流密度和顶面壁温来计算加热块顶　面的局部传热系数ｈ，如式（３）所示。　（３）　式中，　为主流温度。　本试验中使用水作为冷却液，主要考察冷却水　流动参数（即流速、压力、主流温度）对沸腾传热特性　的影响，可轮流固定两个参数，调整第三个参数，试　验工况见表１。　表１试验工况　试验序号　压力／ＭＰａ　主流温度／℃　流速／（ｍ·Ｓ－－　）　１　０．３４７　２　０．６　３　０．８　４　１．Ｏ　５　１．２　９５　６　２．０　７　３．０　０．２０　８　４．０　９　５．０　１０　６．Ｏ　１１　６０　１２　７０　１３　８０　１４　９０　１．Ｏ　１５　０．１０　１６　０．１５　９５　１７　０．２５　３试验结果及分析　３．１沸腾传热特性　图４为冷却水在压力０．２ＭＰａ、温度９５℃下不　主转换为以沸腾换热为主。如图５所示，针对高强　化柴油机代表陛工况１　ｍ／ｓ流速下与对流传热进行　比较，壁温达到１７０℃以上（热流密度０．５ＭＷ／ｍ　以　上）时沸腾开始出现，曲线斜率开始升高，在壁温　２１０℃时，换热效率比对流换热提高了４０％以上。　ｇ　≥　翎　图４速度对热流密度的影响　●　邑　暴　１　啦　图５速度对传热系数的影响　随着主流体速度的不断升高，流速超过２　ｍ／ｓ　时，受热面处的热流密度曲线斜率也不断增大，曲线　也基本趋于直线状，这是壁面过热度较低造成的，最　高壁面温度不超过１９０　ｏＣ。通过试验可以预测，当　速度较高时，需过热度达到更高的水平才会产生沸　腾现象，从而使得热流密度曲线斜率变大，最终随着　壁面过热度升高而越来越接近低流速时热流密度曲　线。倘若想要发生沸腾，其加热器功率和受热面的　内燃机工程　２０１６年第２期　过热度还需更高的极限水平，已超出本试验装置承　高，其当量传热系数越早出现增长，且此后的传热系数　一受范围，因此未能观察到高流速时沸腾现象。　图５为在不同流速条件下壁面当量传热系数随　着壁面温度的变化趋势。从图５可以看出，通道内在　未发生沸腾传热的前期，主要是以对流进行换热，流　速越高换热能力越强，即传热系数越高，不同的流速　状态传热系数也处于不同的水平，此时的传热系数不　受壁面温度的变化而变化。当壁面温度升高超过当　地饱和温度达到一定程度时，且流速较低时，沸腾传　热将与对流换热同时进行，此时当量传热系数的斜率　发生很大的变化，在换热形式方面来说已经发生本质　的变化，换热方式正从单相对流向两相沸腾转变。　图６为试验工况保持试验段局部压力０．１　ＭＰａ、　流速１　ｍ／ｓ工况下，不同主流温度对壁面换热特性影　响。从图６可以看出，壁面温度小于１５０℃时，不同主　流温度的换热特性曲线几乎处于平行状态，此时传热　系数一致，主流温度越低，壁面热流密度越高，符合对　流换热规律。当壁面温度大于１５０℃时，主流温度为　９５℃的换热曲线斜率最先开始升高，说明出现了沸腾　现象。在壁面温度大于１７０℃时，主流温度为６０℃的　换热曲线斜率才开始升高，说明主流体温度越高（即　过冷度越小），越容易发生沸腾现象。在壁面温度为　１８０　ｏＣ左右时，不同主流温度的换热曲线趋于一致。　增加主流温度会降低冷却水过冷度，强化了沸腾传热　效果，有利于提高冷却系统的温度及冷却系统温度分　布的均匀性，有效降低受热部件热负荷水平。　图６主流温度对热流密度的影响　图７为压力Ｏ．１ＭＰａ、流道速度ｌｒｉｆｓ工况下，不同　主流温度下壁面当量传热系数随着壁面温度的变化趋　势。从图７可以看出，在壁面温度较低时，不同人口温　度条件下的当量传热系数基本一样，不存在较大的差　异，同时随着壁面温度的增大当量传热系数基本保持不　变。当壁面温度超过１５０℃时，壁面当量传热系数出现　缓慢增加的趋势。同时，试验结果表现出入１：１温度越　直高于低人口温度的情况。　＼　坦　图７　主流温度对传热系数的影响　图８为在流道速度ｌ　ｍ／ｓ、主流温度９５℃工况下，　不同压力对换热特ｌ生的影响。从图８可以看出，在壁面　温度小于１６０℃时，不同主流温度的换热特性曲线基本　一致，热流密度随着壁面温度呈相同斜率直线变化，此　阶段受热面的换热方式主要以单相对流为主，相同的速　度且相同的换热温差下热流密度相同；在壁面温度大于　１６０℃时，压力为０．１　ＭＰａ的热流密度曲线斜率逐渐升　高，最先出现上翘趋势，压力为０．１５、０．２，０．２５ＭＰａ的热　流密度曲线斜率分别在壁面温度大于１７５℃、１９０℃及　超过２００℃时才开始升高，而在压力最低的热流密度曲　线最先发生上翘曲线。这是因为，压力越低，饱和温度　越低，而相同温度下过冷度越小，其沸腾发生对壁面温　度要求越低，越容易发生沸腾现象。　曼　≥　槽子　ｌ１０　１２０　１３０　１４０　１５０　１６０　１７０　１８０　１９０　２００　２１０　２２０　壁面温度／￣ｃ　图８压力对热流密度的影响　图９为流道速度１ｍ／ｓ、主流温度９５℃工况下，　不同系统压力下壁面当量传热系数随着壁面温度的　变化趋势。从图９可以看出，保持其他相同流动参　数不变，尽管试验数据存在一定的误差及扭曲，但仍　然可以明显地区分不同局部压力状态下的换热特性　存在较大的差异。试验段局部压力的升高，在增加　饱和温度的同时实际也增加了通道内冷却介质的过　冷度，其势必弱化沸腾强度和提高沸腾发生的条件。