楊 帥,鄒任玲,周 毅,吳金花

發(fā)動機(jī)冷卻液過熱在我國是一個非常嚴(yán)重、普遍的問題.發(fā)動機(jī)散熱能力不足已成為影響發(fā)動機(jī)正常工作的重要因素,若在高原地區(qū)或發(fā)動機(jī)處于大負(fù)荷高速運(yùn)行,散熱不足現(xiàn)象更突出.為避免因冷卻液過熱產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降及排放污染,各國家都在積極探索解決問題的技術(shù)途徑,而納米流體作為新型傳熱介質(zhì),為解決發(fā)動機(jī)散熱不足問題,降低油耗及排放指標(biāo),提供一種可供探索的新途徑.

新型傳熱介質(zhì)納米流體即以一定的方式和比例將納米級金屬或非金屬氧化物粒子添加到流體中,納米流體作為一種新型傳熱介質(zhì)可以顯著強(qiáng)化傳熱,熱量傳遞發(fā)生在顆粒表面.研究表明[1-2],在液體中添加納米粒子,可以顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù),提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能.添加納米粒子能夠顯著提高流體導(dǎo)熱性能,其主要原因是:納米粒子在流體中做無規(guī)則運(yùn)動時,粒子所攜帶的能量發(fā)生遷移,這部分能量遷移增強(qiáng)了納米流體內(nèi)部的能量傳遞,提高了納米流體的熱導(dǎo)率;納米粒子的微運(yùn)動使粒子與液體間有微對流存在,這種微對流增強(qiáng)了粒子與液體間的能量傳遞,也提高了納米流體的熱導(dǎo)率;此外,納米粒子之間的相互作用及碰撞,也起到了增強(qiáng)傳熱的作用.

目前在國內(nèi)將納米流體應(yīng)用在發(fā)動機(jī)冷卻系中的研究還處于初始階段.本文以一臺單缸1100 型柴油機(jī)為研究模型,利用數(shù)值模擬方法,對Cu-水納米流體作為發(fā)動機(jī)冷卻系傳熱介質(zhì)的傳熱及流動規(guī)律進(jìn)行研究,為試驗(yàn)環(huán)節(jié)提供理論參考.

1 納米粒子傳熱過程的數(shù)學(xué)描述

當(dāng)納米固體粒子穿過流體單元時,粒子吸收或釋放的熱量作為源相作用到連續(xù)相的能量方程中.認(rèn)為粒子與水之間沒有質(zhì)量交換,并且不存在任何化學(xué)反應(yīng).假設(shè)納米粒子內(nèi)部熱阻為零,用Tp表示粒子溫度,應(yīng)用熱平衡方程來關(guān)聯(lián)粒子溫度Tp(t)與粒子表面的對流傳熱:

式中:mp表示粒子質(zhì)量,g;cp表示粒子比熱,J·g-1·K-1;Ap表示粒子表面積,m2;h表示對流傳熱系數(shù),J·m-2·s-1·K-1;T∞表示連續(xù)相當(dāng)?shù)販囟?K.若認(rèn)為粒子溫度在連續(xù)的時間內(nèi)近似線性變化,對式(1)進(jìn)行關(guān)于時間的積分,有

式中,Δt表示積分時間的步長,并且有αp=T∞,βp=傳熱系數(shù)h由Ranz 和Marshall[3-4]提出的公式確定如下:

式中:dp為粒子直徑,m ;k∞為連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1;Red為以粒子直徑為定性尺寸粒子與連續(xù)相之間速度差定義的雷諾數(shù);Pr 為連續(xù)相的普朗特數(shù).

本文在計算過程中認(rèn)為納米流體在發(fā)動機(jī)水套內(nèi)的流動狀態(tài)屬于亞微觀固液兩相流動,固相(離散相)為Cu 納米粒子,直徑50 nm ,連續(xù)相為液態(tài)純水.分別對質(zhì)量濃度為0.5%,1%,3%和5%的Cu-水納米流體的傳熱與流動進(jìn)行計算分析.

2 納米流體流動與傳熱的三維模擬計算

建立的柴油機(jī)水套實(shí)體三維網(wǎng)格圖如圖1 所示,其中圖1b 是水套腔內(nèi)的網(wǎng)格圖.網(wǎng)格總數(shù)746 445,壁面邊界層采用外推方法,主體采用非結(jié)構(gòu)化四面體和六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格最大距離1.2 mm .水套內(nèi)的流動方式是從左側(cè)豎直方向位置較低的進(jìn)口流入,流經(jīng)缸體冷卻腔后在經(jīng)過上水孔進(jìn)入缸蓋冷卻腔,然后從缸蓋冷卻腔右側(cè)出口流出.

圖1 發(fā)動機(jī)水套內(nèi)部流場網(wǎng)格圖Fig.1 Flow field mesh of engine cooling jacket

2.1 求解方法與邊界條件

本次兩相流動的數(shù)值計算方法中采用Lagrange法計算.在設(shè)定離散相邊界條件時,認(rèn)為水與Cu 粒子存在動量和熱交換的相互作用,Cu 粒子的加入方式采用進(jìn)口面入射方式,粒子從出口邊界流出設(shè)定為逃逸方式,與壁面碰撞設(shè)定為反射方式,粒子在運(yùn)動過程中還需考慮剪切力及重力對運(yùn)動的影響作用,采用隨機(jī)跟蹤模型計算湍流脈動速度對離散相粒子分散和運(yùn)動軌跡的影響規(guī)律.

在連續(xù)相的流動過程中,認(rèn)為流體在水套內(nèi)的流動狀態(tài)是三維不可壓縮粘性湍流流動, 選用Realizablek-ε湍流模型,采用SIMPLE 算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算.以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r·min-1為計算工況點(diǎn),計算過程中設(shè)定速度為入口邊界條件,入口溫度350 K.設(shè)定流量為出口邊界條件.湍流與壁面的熱交換采用近壁面函數(shù)方法求解.

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 納米流體濃度場分析

圖2 是不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子濃度場分布圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),0.5%質(zhì)量濃度的納米流體溶液在水套內(nèi)流動過程中,Cu 粒子的濃度分部比較稀疏,隨著納米流體濃度的增加,Cu 粒子濃度在水套內(nèi)的分部逐漸均勻,在3%質(zhì)量濃度時,Cu 粒子基本能夠在水套中分布均勻,但在5%質(zhì)量濃度時,由于在水套局部位置流道幾何形狀復(fù)雜(如缸體冷卻腔通往缸蓋冷卻腔的上水孔附近),導(dǎo)致了在此區(qū)域內(nèi)Cu 粒子出現(xiàn)流動不均勻現(xiàn)象,并出現(xiàn)小范圍流動死區(qū),與純水作為傳熱介質(zhì)的流動計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)粒子流動死區(qū)的位置恰恰也是純水出現(xiàn)流動死區(qū)的位置,說明流道幾何形狀對于納米流體兩相流動存在較大影響,合理設(shè)計水套形狀對于納米流體的換熱效果會有很大改進(jìn).

圖2 納米流體Cu 粒子濃度場分布(單位:%)Fig.2 Cu nanoparticles concentration distribution(unit:%)

2.2.2 納米流體速度場分析

由于納米流體的流動性能要比純水差,缸蓋幾何形狀復(fù)雜,因此可能會在局部位置出現(xiàn)流速過低現(xiàn)象,并影響缸蓋的冷卻效果.圖3 是純水與3%質(zhì)量濃度納米流體在缸蓋區(qū)域的速度矢量圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在缸蓋“鼻梁”區(qū),兩者都具有較高的流速,納米流體在缸蓋處的流動效果略低于純水,說明該區(qū)域的冷卻效果較好.在采用粒子隨機(jī)跟蹤方法計算不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子從水套進(jìn)口到出口的停留時間時發(fā)現(xiàn),Cu 粒子的平均停留時間與其濃度相關(guān)性不明顯,統(tǒng)計結(jié)果如圖4 所示,說明在兩相流動過程中,Cu 粒子對水的影響作用較小,Cu粒子在水套中的換熱效率與納米流體的流速相關(guān)性不大.

圖3 速度場分布(單位:m·s-1)Fig.3 V elocity distribution(unit:m·s-1)

圖4 不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子在水套內(nèi)的停留時間Fig.4 Resident time in cooling jacket of Cu nanoparticles in diferent mass concentration nanofliuds

2.2.3 納米流體換熱量分析

隨著納米粒子濃度的增加,納米流體的換熱性能也逐漸增強(qiáng),計算中采用粒子隨機(jī)跟蹤方法得到了不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子在水套流動過程中的內(nèi)能變化,如圖5 所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著Cu 粒子濃度的增加,Cu 粒子在缸蓋區(qū)域的內(nèi)能總和增加,但是單個Cu 粒子的內(nèi)能比低濃度時的Cu粒子的內(nèi)能要低,此現(xiàn)象說明當(dāng)納米流體的Cu 粒子濃度較低時,Cu 粒子之間的間距相對較大,彼此碰撞并形成團(tuán)聚的機(jī)會減少,溫度較高的Cu 粒子將熱量直接傳遞給相對溫度較低的Cu 粒子的概率下降,從而出現(xiàn)了在缸蓋“鼻梁”高溫區(qū)等位置,低質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子的內(nèi)能明顯大于高質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子的內(nèi)能, 這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)[ 5] 中Wang 等人闡述的結(jié)果是相同的.圖6 是質(zhì)量濃度為0.5%,1%,3%和5%納米流體的換熱總量統(tǒng)計圖,隨著Cu 粒子的增加, 納米流體的換熱能力顯著提高,與傳熱介質(zhì)為純水相比,質(zhì)量濃度5%納米流體換熱能力顯著提高.

圖5 不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子內(nèi)能變化(單位:J·kg-1)Fig.5 Cu nanoparticles internal energy variation of different mass concentration nanofliuds(unit:J·kg-1)

2.2.4 納米流體壓力場分析

由于Cu 納米粒子的加入,納米流體在發(fā)動機(jī)冷卻水套中兩相流動所受到的摩擦阻力也相對增加,從而使水套進(jìn)口與出口之間的總壓降增加,并且壓降隨著納米流體質(zhì)量濃度的增加而增加,計算結(jié)果如圖7 所示.與純水作為傳熱介質(zhì)相比,質(zhì)量濃度為3%和5%的納米流體進(jìn)口與出口的總壓降分別為0.013 MPa 和0.014 MPa,因此在采用納米流體作為發(fā)動機(jī)傳熱介質(zhì)后,發(fā)動機(jī)水泵功率損失小范圍增加.

圖6 不同質(zhì)量濃度納米流體Cu 粒子換熱總量比較Fig.6 Total heat transfer contrast of Cu nanoparticles in diferent mass concentration nanofliuds

圖7 不同質(zhì)量濃度納米流體在水套進(jìn)、出口的總壓降變化Fig.7 V ariation of total pressurereduction between cooling jacket inlet and outlet about different mass concentration nanofliuds

3 結(jié)論

(1)本文采用固液兩相流離散項(xiàng)隨機(jī)跟蹤模型對納米粒子在柴油機(jī)水套中的流動過程進(jìn)行了隨機(jī)跟蹤,發(fā)現(xiàn)隨著納米粒子濃度增加,由于水套幾何形狀復(fù)雜,在水套局部位置出現(xiàn)了粒子的流動死區(qū).但納米粒子在水套內(nèi)的平均停留時間與其濃度相關(guān)性不明顯,換熱效率與納米流體的流速相關(guān)性也不明顯.

(2)通過對不同質(zhì)量濃度Cu-水納米流體在發(fā)動機(jī)水套中的流動和傳熱計算,證實(shí)納米流體具有較高的換熱性能,隨著濃度增加換熱能力也逐漸增強(qiáng),當(dāng)Cu 粒子質(zhì)量濃度達(dá)5%時,納米流體換熱能力顯著提高, 但同時也會引起水泵功率小范圍的損失.

[ 1] Xie H,Lee H, Youn W, et al.Nanofluids containing multiwalled carbon nanotubes and their enhanced thermal conductivities[ J] .Appl Phys Lett,2003,95(8):4967.

[ 2] Eastman J A,Choi S U S, Li S, et al.Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles[ J] .Applied Physics Letters,2001,78(6):718.

[ 3] Ranz W E, Marshall Jr W R.Evaporation from Drops, Part Ⅰ[ J] .Chem Eng Prog,1952,48(3):141.

[ 4] Ranz W E, Marshall Jr W R.Evaporation from Drops, Part Ⅱ[ J] .Chem Eng Prog,1952,48(4):173.

[ 5] Wang B X,Zhou L P,Peng X F.A fractal model for predicting the effective thermal conductivity of liquid with suspension of nanoparticles[ J] .Int J Heat Mass Transfer,2003,46:2665.