Cu-乙二醇纳米流体对发动机冷却水套传热的模拟研究

万方数据

第3期徐行军等:Cu一乙二醇纳米流体对发动机冷却水套传热的模拟研究4l

散热器中。宣益民【61试验发现,在水中添加5%(体积分数)的Cu纳米粒子,液体导热系数可增大约1.5倍;在乙二醇冷却液中加入体积分数仅为0.3%、尺寸为10nm的cu纳米粒子,纳米流体的导热系数可提高40%。

笔者尝试在乙二醇冷却液中加人体积分数为5%的Cu纳米粒子所组成的纳米流体作为内燃机冷却的换热工质,并利用CFD软件对其进行模拟计算,考察纳米流体对内燃机散热性能的影响,为今后开发新的冷却系统提供一个途径。

1纳米流体的热物性

1.1纳米流体导热系数的模型

目前对纳米流体的强化传热机理解释尚存在争议。有学者提出了一个最主要的强化传热的机理,即在固体粒子表面形成了一层液体分子层【7】。这种界面层更像是固体层,作为一个固体和液体间传热的桥梁,它的热导率大于液体热导率而小于固体热导率,因此引起了流体导热率的增强。

2006年,S.M.S.Murshed【8o等人在考虑界面层效应和微粒尺寸的影响下提出了纳米流体热导系数理论模型,如公式(1)所示。

,(kp—kl,)舭l,[獬一矿+1I%。承币2丽j万i丽丽而+(||}P+2||}I,)硝[∥(klr_kf)+kf]…饼(k,+2kl,)一(k,一kit)枞硝+矿一1]

¨7式中:卢=l+7,卢i=l+y/2,y=h/aKnf,klr=2kf;^为界面层厚度;口为粒子半径;后为导热系数;咖为纳米粒子体积分数;下标P、lr、f、fIf分别代表粒子、界面层、基液和纳米流体。当界面层厚度h=lnm时,S.M.S.Murshed的模型与试验值吻合较好,因此本文用此模型作为计算模型。

1.2纳米流体密度、比热容、粘度模型

对于纳米流体的密度、比热容和粘度的理论模型争论较少,本文选用下面三个公式分别作为密度、比热容和粘度的计算模型。

pd=(1一咖)pf+中p。(2)

(C,)llf=(1一币)(c,)f+咖(cP),(3)肛llf=/.tf万南(4)肛d丌可了‘4’

式中P为密度,c。为比热容,p为粘度。为了保证既能有效提高换热系数,又不至于使其粘度大幅度增加,本研究拟选用粒径50nm的Cu粒子。2发动机冷却水套的CFD模拟

2.1建立几何模型与计算网格模型

本研究选用的是直列四缸柴油机。主要参数如表l所示。

表1发动机主要参数表

缸径/mm100

行程/mm127

压缩比17.5

额定功率-/Kw101/(2500r?min一)

最大扭矩/N?m445/(1400~1600r?min。1)冷却液流量/L?min一205

本研究采用非结构化网格生成技术对其结构进行网格划分。将三维的CAD模型通过转换文件STL输入到FIRE的前处理模块FAME中进行网格划分。网格的类型及尺度都会直接影响到CFD计算结果的精度和稳定性,在缸垫区域由于流动比较剧烈,所以对该区域的网格进行了加密。该模型网格数大约为100万,网格主要是由六面体单元(约占94%)组成,另外还包括少量五面体和四面体。水套的计算网格模型如图1所示。

图1水套网格模型图

2.2计算模型与边界条件的确立

计算工况选柴油机工作的额定工况,冷却介质分别为乙二醇冷却液和Cu体积分数为5%的Cu一乙二醇纳米流体冷却液。在数值计算中认为冷却液在水套内的流动状态是三维不可压缩的粘性湍流流动,采用稳态的计算模式,用Simple算法进行计算。湍流模型选用湍流模型,在壁面区域采用标准壁面函数(Stand—ardWallFunction)来进行壁面处理。

计算中整体模型的边界条件:入口给定流量为3.5kg/s;入口温度给定为363K;出口给定任何物理量

的梯度为0。由于在CFD计算之前不能从实验得到空

万方数据

42小型内燃机与摩托车第39卷

间壁面温度分布,所以在计算中采用了假定的壁面温度场,缸盖上层平均温度为393K,缸盖下层平均温度为403K,缸体平均温度为383K。计算流体为乙二醇冷却液(乙二醇体积分数50%)时计算初始值假定为:压力为1.0×105Pa;密度为1016kg/m3;温度为353K;计算Cu体积分数为5%的Cu一乙二醇纳米流体冷却液时,热物性见表2。

表2纳米流体热物性

导热系数/W?(m-k)。0.5469

密度/kg?m。31423

比热容/J?(kg?k)’13392

粘度/kg(m?s)一4.617×10—4

3CFD模拟计算及结果分析

3.1速度场分布对比

图2为缸体冷却腔壁面速度场分布。从图中看出纳米流体作为冷却介质时各缸体水套中冷却液流速有所降低,具体数值见表3。在冷却液中加入粒径为50nmCu纳米粒子(使冷却液中Cu纳米粒子的体积分数为5%)后,使得缸体水套中冷却液平均流速下降29%左右,这是由于纳米流体的粘度比乙二醇冷却液的粘度大,流体在流动时受到的摩擦阻力增大,致使流速下降。

图2缸体冷却腔壁面速度场分布图

表3缸套中冷却液流速

平均

l缸2缸3缸4缸

流速原冷却液流速/m?8。O.550.58O.56O.930.65纳米流体流速/m?s一0.390.420.37O.670.46降低幅度/(%)2928342829

发动机缸盖热负荷较高的区域是与缸筒相对应的缸盖的底部,其中尤以进排气门之间的“鼻梁区”热负荷最高。因而发动机缸盖水套的设计应保证在“鼻梁区”有较好的流动。图3所示是乙二醇冷却液和Cu体积分数为5%的纳米流体在缸盖“鼻梁区”的速度场分布,从图中可以看出两者在鼻梁区的流速明显不同。用乙二醇冷却液作为冷却介质时,“鼻梁区”平均流速在1.2m/s以上,用纳米流体作为冷却介质时平均流速不到lm/s。但两者速度分布趋势一致。

图3缸盖“鼻梁”区处速度场分布图

3.2换热系数分布对比

图4为缸体冷却腔壁面换热系数分布图。从图中可以看出,与乙二醇冷却液相比,使用Cu一乙二醇纳米流体缸体冷却腔壁面换热系数明显增大,缸套整体换热系数增加了19%,具体见表4。

表4缸套换热系数

平均换

1缸2缸3缸4缸

热系数原冷却液换热系数/

5457541453669508643lW?(m2?k)。1

纳米流体换热系数/

64786427628"/“2777627W?(m2?k)一

增大幅度/(%)19191719

19万方数据

第3期徐行军等:Cu一乙二醇纳米流体对发动机冷却水套传热的模拟研究43

图4缸体冷却腔壁面换热系数分布图

从以上分析中可以看出,在乙二醇冷却液中添加Cu纳米粒子后会使缸体水套中冷却液流速下降,换热系数增大,换热能力增强。这充分反应出利用纳米流体作为传热工质来提高内燃机的散热能力并不是依靠增加流体的流速来实现的。

图5所示是乙二醇冷却液和Cu体积分数为5%的Cu纳米流体存缸盖“鼻梁”区处的壁面换热系数比较,从图中可以看出,后者的换热系数明显高于前者。充分说明了,加人纳米粒子后的流体在该区域的冷却效果大幅增强。

图5缸盖“鼻梁”区处壁面换热系数比较图3.3压力损失对比

乙二醇冷却液作为冷却介质时,整体模型进、出口的总压降为49.87kPa,纳米流体作为冷却介质时总压降为35.36kPa,比原冷却液压降减小了29%。在乙二醇冷却液中添加cu纳米粒子后,会使得流体粘度增加,流速减小,因此沿程损失减小,压降减小。

4结论

1)纳米流体作为冷却介质时,可以提高内燃机的散热性能,换热系数平均提高19%。

2)纳米流体作为冷却介质时,由于流速下降,沿程损失减小,整体水套进、出口总压降减小。

参考文献

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~17l

8MurshedSMS,LeongKC,YangC.ThermalConductivityofNanoparticle

Suspensions[C].IEEEConference,2006

(收稿甘期:2009—07—18)万方数据

Cu-乙二醇纳米流体对发动机冷却水套传热的模拟研究

作者:徐行军, 郑清平, Xu Xingjun, Zheng Qingping

作者单位:徐行军,Xu Xingjun(天津工业大学机械电子学院,天津,300160), 郑清平,Zheng

Qingping(河北工业大学能源与环境工程学院)

刊名:

小型内燃机与摩托车

英文刊名:SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE

年,卷(期):2010,39(3)

参考文献(8条)

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8.白敏立;徐哲;吕继组纳米流体对内燃机冷却系统强化传热的数值模拟研究[期刊论文]-内燃机学报 2008(02)本文链接:https://www.360docs.net/doc/6d13852811.html,/Periodical_xxnrj201003011.aspx

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