缸盖冷却水的沸腾传热模型.pdf

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1、赵伟苏铁熊：缸盖冷却水的沸腾传热模型5缸盖冷却水的沸腾传热模型赵伟苏铁熊(中北大学)[摘要]针对缸盖水腔内的冷却水流动沸腾传热计算，本文介绍了两种沸腾传热模型。模型认为流动沸腾总传热量等于泡核沸腾和单相流对流传热之和，介绍了常用的Chen模型，然后介绍了一种基于加权叠加方法基础上的，计算过冷流动沸腾传热的新模型Franz模型。[关键词]缸盖模型沸腾传热Chen模型Franz模型1引言当发动机的冷却液流过冷却水套时，热量通过水套壁面传给冷却液，设计合理的冷却水套可以对发动机进行适度冷却．保证了发动机

2、关键零部件的温度分布合理。提高了发动机的丁作可靠性。由文献川可知，随着发动机冷却水套壁面温度与水套内冷却液的饱和温度之差的变化。水套内可发生对流、核态沸腾传热和膜态沸腾传热．其中核态沸腾转换为膜态沸腾的中间过程为过渡沸腾。发动机缸盖内传递的热流密度q与△丁关系曲线如图l所示。横坐标为△71(oC)；纵坐标为10qxq(W／cm2)田1气缸盖冷却水套中q与AT关系曲线图1中AB段。冷却水的温度较低，主要以对流传热．为主．当壁面温度继续升高时，饱和液体吸收气化潜热，在壁面上形成气泡，传热进入沸腾传热阶

3、段。当气泡生长到一定尺寸时，就脱离冷却水腔的加热壁面进入液体容积中。然后遇冷凝结并消失。一段时间后．壁面上其它气泡又接着产生、长大和脱离，如此反复。沸腾过程中，气泡的运动在冷却液体内部产生了剧烈的扰动，使传热显著增强。C点为热流密度最大点。被称为临界热流密度。当壁面温度继续升高。气泡形成速度加快。数目剧增，并相互汇合成一层不稳定的气膜．影响了传热，使热流密度下降．为过渡沸腾阶段。当气膜层达到稳定状态时，即进入了膜态沸腾阶段。此时冷却水套温度相当高，周体温度将超过发动机零部件的温度限制，容易引起危险

4、，这也是为什么早期发动机冷却设计要将冷却液的流动限制在强制对流传热阶段的原因。但是目前发动机冷却系统的设计人员越来越关注核态沸腾的高传热性能．发现利用沸腾传热的高温冷却性能．可以减小受热零部件内温度梯度．提高发动机受热零部件的可靠性．而且还可以适度减小冷却液流量及冷却水腔的容积，从而减小发动机体积，降低燃油消耗率。因此发动机冷却水套内的核态沸腾传热现象受到了越来越多的重视。2沸腾模型的选择两相流因流动形式及传热机理的复杂性使其一直是研究的热点问题，描述单相介质流动的流动方式常用层流和湍流区分。这也

5、常被称为流动机制。沸腾传热的研究还停留在简单模型内流动的研究。而发动机零部件(如缸盖)内沸腾区域分布各异，流速也各不相同．而且受热情况复杂，受热面倾斜角度多变，使得发动机内沸腾传热研究仍不完善，因此，全面了解发动机内流动与传热状况，进行沸腾传热研究就显得非常迫切。目前许多研究人员针对沸腾现象进行了实验研究并总结了一些经验公式和计算模型，但是由于沸6内燃机与配件2010年第6期腾传热的机理复杂．影响因素众多，所以一些模型有一定的适用条件．并且与实验结果还存在一定的差异。为了使本文针对发动机冷却水套的

6、沸腾传热研究结果更加合理。有必要对应用在该领域中计算沸腾传热的经验模型进行分析比较。从以往的文献中可以知道，发动机水套内强制对流沸腾传热模型大都是围绕Chen模型开展的。因此本文首先介绍常用的Chen模型．然后介绍一种基于加权叠加方法基础上的，计算过冷流动沸腾传热的新模型Franz模型121。2．1Chen模型[314]Chen模型是基于叠加原理计算沸腾传热的整体模型，他认为传热由两部分组成：在尚未发生气泡沸腾的受热面传热，属于单相流对流传热；在已发生气泡沸腾的受热面，则为气泡沸腾传热，总的传热量

7、是对流传热与沸腾传热之和。这种计算方法经过计算与实验比较，公式进一步改进后，计算精度较高，使用范围较广，可以适用于从过冷沸腾到强制对流蒸发区段．因此被广泛地应用于发动机冷却水套内发生的沸腾传热计算。其具体的计算公式如下所示：吼声IIl一(瓦，死m)+

8、Il。(瓦，7乙)S(1)式中，^～为核态沸腾传热系数，W／(m2℃)；L为流体饱和温度，qc；S为抑制因子。Chen模型中对流传热系数的计算基于Dittus—Boeher公式：hc．,．---O．023Reo粤ProA(kJD,)(2)式中，以为水

9、流通道中的当量直径。沸腾传热系数可以根据Forster和Zuber的容积沸腾公式计算：址螋警篱警严㈤式中，甜盈为过热度，℃；咒P=瓦一亿；A匕为压力差，Pa；△只。=只一只。；Pf为液相密度，kg，m3弛为气相密度，kg]m3；IT为液体表面张力系数，N／m2；玩为气化潜热，J／kg。上式中的只可以按照以下公式近似计算：P。=133．3x108E=7．9一(卷酱)(4)Chen对公式(2)中的雷诺数进行了修正，修正如下：ReO童=(Ref)08F(5)式中，尺e，为分液相雷诺数，R