龔偉（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

缸蓋鼻梁區(qū)沸騰汽泡演化行為可視化試驗研究

龔偉
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

以某增壓柴油機(jī)為研究對象，搭建了氣缸蓋鼻梁區(qū)內(nèi)沸騰汽泡演化行為可視化試驗平臺，拍攝標(biāo)定工況下鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡成長、滑移、聚合等行為，開展了缸蓋水腔內(nèi)沸騰換熱和汽泡演化行為特性的研究。研究結(jié)果表明，在成長開始階段，汽泡成長平均直徑的增長速度比較快，然后逐漸下降且有著穩(wěn)定的趨勢。在不同曲軸轉(zhuǎn)角下，汽泡當(dāng)量直徑分布符合正態(tài)分布規(guī)律，且汽泡的聚合現(xiàn)象越多對整體汽泡行為的隨機(jī)性影響就越強(qiáng)烈。

柴油機(jī)鼻梁區(qū)沸騰換熱可視化實驗演化行為

1 前言

“高效節(jié)能，超低排放”已成為當(dāng)代內(nèi)燃機(jī)技術(shù)研究的主題，諸多新型的技術(shù)如分層進(jìn)氣、快速燃燒、廢氣再循環(huán)等在內(nèi)燃機(jī)中逐步得到應(yīng)用，促使內(nèi)燃機(jī)不斷朝著高強(qiáng)化、高功率密度方向發(fā)展，這必然造成了更大的零部件發(fā)熱率和局部的高熱負(fù)荷[1-2]。為解決局部高熱流密度空間的散熱冷卻問題，探尋實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)高效冷卻、可控冷卻和精確冷卻的換熱模式成為學(xué)者們研究和攻克的重點[3-4]。

沸騰換熱作為一種高效的冷卻換熱方式具有眾多的優(yōu)越性，例如換熱效率高、溫度均勻性好、冷卻系統(tǒng)體積小和熱應(yīng)力小等[5-6]。近年來，研究焦點主要在沸騰換熱的基礎(chǔ)性試驗和內(nèi)燃機(jī)水腔內(nèi)沸騰換熱的存在性驗證等方面，所測量的參數(shù)多為溫度、壓力等宏觀量，而對汽泡的成長、滑移和聚合等行為及微觀參數(shù)的可視化試驗還未見有報道[7-8]。

本文以某增壓柴油機(jī)為研究對象，選取水腔內(nèi)部熱負(fù)荷較高、容易產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象的鼻梁區(qū)域作為可視化觀察區(qū)域，運(yùn)用高速攝影可視化技術(shù)，對該區(qū)域內(nèi)沸騰汽泡的演化行為進(jìn)行拍攝。結(jié)合可視化圖像和理論分析，探究了汽泡演化行為的特性及其對沸騰換熱效率影響的機(jī)理，為解決沸騰換熱在內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用與控制的難題，保證沸騰處于高效的核態(tài)沸騰換熱模式等具有指導(dǎo)性的意義。

2 內(nèi)燃機(jī)缸蓋水腔內(nèi)沸騰換熱的特性

在不同的熱負(fù)荷狀況下，沸騰現(xiàn)象主要包括對流換熱、核態(tài)沸騰換熱、過渡沸騰換熱和膜態(tài)沸騰換熱，如圖1所示。熱流密度q隨壁面過熱度ΔTW變化的曲線。諸多研究表明，內(nèi)燃機(jī)缸蓋水腔內(nèi)發(fā)生的沸騰換熱現(xiàn)象主要為過冷流動沸騰換熱，即圖中B和D點之間的階段。B點是核態(tài)沸騰的起點，因為冷卻流體的主流溫度尚未達(dá)到飽和溫度，壁面上產(chǎn)生的汽泡附著在上面或在脫離壁面后進(jìn)入冷卻流體的主流區(qū)產(chǎn)生汽泡凝結(jié)現(xiàn)象，故BC段稱為部分過冷沸騰區(qū)。熱流密度值較高的CD段為充分發(fā)展過冷沸騰區(qū)，隨著過熱度的增加，受熱壁面會被汽泡全部覆蓋。汽泡生成和脫離的頻率會增加，汽泡之間相互作用產(chǎn)生的聚合現(xiàn)象也增加[9-10]。

圖1 熱流密度q隨壁面過熱度ΔTW變化的曲線

3可視化試驗系統(tǒng)與方案

3.1 試驗用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

試驗所用發(fā)動機(jī)為一款高強(qiáng)化增壓直列式四缸柴油機(jī)，其冷卻系統(tǒng)采用水冷式，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2 試驗系統(tǒng)簡介及布置

整個試驗系統(tǒng)是一個循環(huán)封閉系統(tǒng)，主要包括恒溫水箱、電動水泵、節(jié)流閥、渦輪流量計、內(nèi)窺鏡高速攝像裝置、試驗用發(fā)動機(jī)、溫度傳感器、溫度和圖像采集系統(tǒng)以及計算機(jī)等。內(nèi)窺鏡高速攝像裝置主要由CCD高速數(shù)字相機(jī)、內(nèi)窺鏡、圖像采集卡、內(nèi)窺鏡光源、角標(biāo)儀等組成。圖2為可視化試驗臺架系統(tǒng)的局部圖。

為實現(xiàn)多角度可視化觀察，在缸蓋后端第四缸頂部和排氣側(cè)原清沙孔處，分別加工出2個相同的光學(xué)通道孔1和2，故內(nèi)窺鏡和光源在氣缸蓋上安裝位置是可以互換的，即對鼻梁區(qū)域可視化拍攝具有2種視角，如圖3所示。

表1 研究柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 可視化試驗臺架系統(tǒng)局部圖

圖3 可視化拍攝的視角

3.3 試驗方案

在發(fā)動機(jī)磨合過程中，對高速攝影系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡及光源鏡頭規(guī)格進(jìn)行組合選擇，并對拍攝參數(shù)進(jìn)行初步調(diào)試，以便得到最佳的拍攝效果。最終選取的高速攝影曝光速率為10 kHz，曝光時間為300 μs，拍攝間隔為5℃A，拍攝持續(xù)期為2個發(fā)動機(jī)循環(huán)，圖像分辨率為640×480像素。

為排除其它因素產(chǎn)生汽泡對試驗的干擾，在啟動發(fā)動機(jī)前，先運(yùn)行電動水泵，調(diào)節(jié)流量控制閥，使冷卻流量為標(biāo)定工況的實際流量，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后進(jìn)行拍攝，如圖4所示。由圖中可見，除了一些細(xì)小懸浮物外并沒有汽泡。

圖4 內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行前的圖像

試驗工況為標(biāo)定工況，冷卻水溫度控制在60℃，冷卻流量為標(biāo)定工況流量，進(jìn)行缸蓋鼻梁區(qū)內(nèi)可視化試驗。

3.4 可視化圖像標(biāo)定

選取內(nèi)窺鏡光源為參考實物，然后運(yùn)用Image-Pro Plus圖像處理軟件對圖像中的內(nèi)窺鏡光源長度進(jìn)行標(biāo)定，如圖5所示，圖中“H”形狀的標(biāo)定尺長度代表26個像素，而其實際的長度為5mm。

圖5 內(nèi)窺鏡光源長度標(biāo)定

4 試驗結(jié)果與分析

運(yùn)用VisioScope軟件對標(biāo)定工況可視化試驗所獲得的圖像進(jìn)行觀察，在鼻梁區(qū)域內(nèi)汽泡演化行為剛出現(xiàn)時就對其進(jìn)行追蹤，以5℃A為間隔，選取拍攝連續(xù)20℃A內(nèi)鼻梁區(qū)域汽泡成長、滑移、聚合等行為的圖像進(jìn)行分析。

4.1 汽泡成長行為分析

通過對比拍攝的圖像，選取光學(xué)通道2處的視角，對鼻梁區(qū)域的汽泡成長行為進(jìn)行觀察。為進(jìn)一步分析汽泡成長過程中的規(guī)律，在每個曲軸轉(zhuǎn)角下選取受熱壁面上10個正在成長中的典型汽泡進(jìn)行定量分析，并對這10個汽泡進(jìn)行標(biāo)記，所得汽泡成長行為圖像及標(biāo)記如圖6所示。

圖6 汽泡成長行為

采用Image-Pro Plus圖像處理軟件測量了各個可視化圖片中標(biāo)記汽泡的直徑，對每個汽泡進(jìn)行3次測量，取平均值作為其直徑。然后計算得到每個圖片中所有標(biāo)記汽泡成長的平均直徑，所得汽泡成長隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律如圖7所示。對圖中汽泡變化進(jìn)行分析可以得到，在曲軸轉(zhuǎn)角增大時，汽泡成長平均直徑也逐漸增大。在0℃A～5℃A之間內(nèi)，汽泡成長的平均直徑增長速度呈現(xiàn)比較快的趨勢，而在5℃A之后，汽泡成長的平均直徑增長速度逐漸下降，且有著穩(wěn)定的趨勢。

4.2 汽泡滑移行為分析

通過拍攝對比選取光學(xué)通道1處的視角對鼻梁區(qū)域的汽泡滑移行為進(jìn)行觀察，所得汽泡滑移行為圖像如圖8所示。

在10℃A時，可視化視野中出現(xiàn)了從下游滑移來的汽泡。為了定量分析汽泡滑移過程中的運(yùn)動特性，采用Image-Pro Plus圖像處理軟件獲得了汽泡的滑移距離。在10℃A～20℃A之間，圖中左側(cè)a汽泡先從位置a1滑移至a2，然后滑移至a3?；瑒泳嚯x分別為2.57mm和4.26mm。右側(cè)b汽泡從位置b1滑移到b2，又滑移至b3，滑動距離分別為6.34mm和1.41mm。根據(jù)可視化拍攝間隔，可計算出a汽泡滑移速度分別為0.051 4m/s和0.085 2 m/s，滑移速度增長表明汽泡處于汽泡滑移的加速階段；b汽泡的滑移速度分別為0.126 8 m/s和0.028 2m/s，滑移速度減小表明滑移汽泡的受力狀況產(chǎn)生了變化，使其受到的阻力不斷增大。

4.3 汽泡聚合行為分析

通過對比拍攝的圖像，選取光學(xué)通道2處的視角，對鼻梁區(qū)域的汽泡聚合行為進(jìn)行觀察。所得汽泡聚合行為如圖9所示。

圖7 汽泡成長隨曲軸轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

圖8 汽泡滑移行為

圖9 汽泡聚合行為

在0℃A時，“鼻梁區(qū)域”受熱壁面上出現(xiàn)了一些由數(shù)個汽泡結(jié)合的汽泡團(tuán)，如圖中白色圓圈所示。當(dāng)5℃A時，可視化視野中出現(xiàn)許多聚合后形成的大汽泡，如圖中白色圓圈所示。t=10℃A時，汽泡的數(shù)目不斷增多，這使得新生成的汽泡在成長中或者成長結(jié)束時與汽泡團(tuán)聚合直接形成更大的汽泡團(tuán)。在t=15℃A和20℃A時，汽泡間相互擾動越來越劇烈，小汽泡不斷地聚合為大汽泡。同時，汽泡團(tuán)仍然會和周圍的小汽泡產(chǎn)生聚合行為，汽泡團(tuán)的體積也持續(xù)地增大。

為了定量分析汽泡聚合過程中的規(guī)律，采用Image-Pro Plus圖像處理軟件，在每個曲軸轉(zhuǎn)角下對視野中的沸騰汽泡特征參量進(jìn)行測量與統(tǒng)計。首先測量汽泡的大小，由于汽泡聚合行為的影響，觀察到許多汽泡的形態(tài)并不規(guī)則，聚合過程中或聚合后的汽泡大多呈現(xiàn)為橢球形，甚至有些聚合汽泡間的輪廓較模糊，故本文采用同樣面積下圓形汽泡的當(dāng)量直徑作為汽泡的尺寸大小。在測量過程中，忽略一些尺寸較小且亮度較暗的汽泡。汽泡當(dāng)量直徑D=4S/π，S為汽泡的面積。

沸騰汽泡受到汽泡之間聚合行為的影響，使得汽泡行為朝著不穩(wěn)定的方向偏離，即呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。為研究汽泡聚合行為對整體汽泡演化行為的影響規(guī)律，進(jìn)一步獲得整體汽泡演化行為的隨機(jī)性。在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下，對視野中不同當(dāng)量直徑的汽泡數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，獲得的汽泡當(dāng)量直徑分布情況如圖10所示。由各個曲軸轉(zhuǎn)角下汽泡當(dāng)量直徑分布的擬合曲線確定系數(shù)均值為98.72%，以及由圖形的趨勢分析得知，汽泡當(dāng)量直徑分布在不同曲軸轉(zhuǎn)角下符合正態(tài)分布規(guī)律。擬合曲線的分散尺度參數(shù)σ越大，代表聚合形成大尺寸的汽泡數(shù)量越多。由擬合結(jié)果得知，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角增加時，汽泡當(dāng)量直徑的分散尺度參數(shù)σ也增加。在20℃A時σ達(dá)到最大值0.56，汽泡當(dāng)量直徑分布波動的程度最為劇烈，表明汽泡的聚合現(xiàn)象越多對整體汽泡行為的隨機(jī)性影響就越強(qiáng)烈。

5 結(jié)論

（1）在標(biāo)定工況下，拍攝得到缸蓋鼻梁區(qū)域沸騰汽泡的成長、滑移和聚合行為圖像。由汽泡成長特性分析得知，開始階段汽泡成長平均直徑的增長速度比較快，然后逐漸下降且有著穩(wěn)定的趨勢。

（2）由2個典型汽泡運(yùn)動特性的分析結(jié)果可知，處于加速滑移階段的汽泡，其滑移速度從0.051 4m/s增加至0.085 2m/s。而另一個汽泡受力狀況產(chǎn)生了變化，滑移速度從0.126 8m/s下降至0.028 2m/s。

（3）從汽泡隨機(jī)特性分析結(jié)果得知，汽泡當(dāng)量直徑分布在不同曲軸轉(zhuǎn)角下符合正態(tài)分布規(guī)律，且汽泡的聚合現(xiàn)象越多對整體汽泡行為的隨機(jī)性影響就越強(qiáng)烈。

圖10 汽泡當(dāng)量直徑分布

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Visualization ExperimentalStudy on Evolution BehaviorofBoiling Bubble in Bridge ZoneofCylinder Head ofDieselEngine

Gong Wei
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

In this paper,regarding a type of turbocharged diesel engine as the research object,the arrangement and construction of visualization experiment platform relating the boiling bubble evolution behavior in the bridge zone of the cylinder head were completed.In the experiment,shooting the bubble behavior ofgrowth,slip and coalescent in the bridge zone at the rated condition,the research aboutboiling heat transfer and characteristic of bubble evolution behavior in cooling water jacket of cylinder head was conducted.The experimental results show that during the beginning period of growth,the growth rate of average diameterof the bubblewas relatively fast,then itbecame slow and had a trend ofstable.In different crank angles,the distribution ofbubble diameterwas conformed tonormaldistribution,and themore bubble coalescentphenomenon,themore strong influenceon randomnessof theoverallbubblebehavior.

engine,bridge zone,visualization experiment,evolution behavior

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.002

來稿日期：2017-05-02

龔偉（1989-），男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)流動傳熱。