Экспериментальное исследование двухфазного теплообмена в модели канала охлаждения головки цилиндра поршневого двигателя

Жидкостное охлаждение деталей цилиндропоршневой группы высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания обычно сопровождается локальными явлениями фазового перехода --- поверхностным пузырьковым кипением. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении в несколько раз больше, чем при однофазной конвекции. Для эффективного применения пузырькового кипения в системах охлаждения и недопущения аварийных закритических режимов необходимо более глубокое понимание механизмов кипения с проведением натурных экспериментов. Выполнено экспериментальное исследование теплообмена в модели канала охлаждения головки цилиндра двигателя на специально созданной безмоторной установке. Исследовано влияние скорости, характера течения и вида охлаждающей жидкости на теплообмен с учетом наличия застойных зон. В процессе эксперимента смоделированы тепловые режимы, соответствующие разным типам теплообмена: однофазной конвекции, пузырьковому кипению, началу перехода к кризису кипения. Построены графики зависимости плотности теплового потока к охлаждающей жидкости от температуры стенки для разных точек измерения: в струе потока и зонах вихревого течения (застойных зонах). Показано, что наиболее благоприятным с точки зрения равномерности температурного поля детали является режим развитого пузырькового кипения. Полученные в результате исследования экспериментальные данные при соответствующей обработке могут быть использованы в теории двухфазного теплообмена для верификации математических моделей

Литература

[1] Yu W., France D.M., Routbort J.L. Pressure drop, heat transfer, critical heat flux, and flow stability of two-phase flow boiling of water and ethylene glycol/water mixtures. Final report for project "Efficient cooling in engines with nucleate boiling". Argonne National Lab., 2010. DOI: https://doi.org/10.2172/1009796

[2] Мягков Л.Л., Сивачев В.М. Математическое моделирование сопряженного тепломассообмена в системе охлаждения среднеоборотного дизеля. Двигателестроение, 2019, № 1, с. 9--13.

[3] Myagkov L.L., Sivachev V.M. Modeling of subcooled boiling heat transfer in internal combustion engine water jacket. RusAutoCon, 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501647

[4] Маластовский Н.С. Методика определения локальных граничных условий со стороны охлаждения при расчете температурных полей крышек цилиндров двигателей. Дис. ... канд. техн. наук. М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.

[5] Безюков О.К., Жуков В.А., Тимофеев В.Н. Современная концепция регулирования охлаждения судовых дизелей. Вестник ГУМРФ им. С.О. Макарова, 2015, № 3, с. 93--103. DOI: https://doi.org/10.21821/2309-5180-2015-7-3-93-103

[6] Жуков В.А. Перспективы совершенствования систем охлаждения судовых дизелей. Вестник ГУМРФ им. С.О. Макарова, 2015, № 4, с. 131--137.DOI: https://doi.org/10.21821/2309-5180-2015-7-4-131-137

[7] Круглов М.Г., ред. Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигатели новых схем и на новых топливах. Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. М., МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1987.

[8] Lee H.S., O’Neill A.T. Forced convection and nucleate boiling on a small flat heater in a rectangular duct: experiments with two working fluids, a 50--50 ethylene glycol--water mixture, and water. Proc. Inst. Mech. Eng. D, 2008, vol. 223, pp. 203--219. DOI: https://doi.org/10.1243%2F09544070JAUTO1008

[9] Paz C., Suarez E., Concheiro M. CFD implementation and experimental validation of the Chen model for heat transfer in nucleate boiling. WIT Trans. Eng. Sc., 2013, vol. 79, pp. 377--385. DOI: https://doi.org/10.2495/MPF130311

[10] Campbell N.A.F., Hawley J.G., Tilley D.G., et al. Nucleate boiling investigations using simulated engine cooling passages. SAE/IMechE, 1999, pp. 237--248.

[11] Lee H.S., O’Neill A.T. Comparison of boiling curves between a standard S.I. engine and a flow loop for a mixture of ethylene glycol and water. SAE Tech. Paper, 2006, no. 2006-01-1231. DOI: https://doi.org/10.4271/2006-01-1231

[12] Castiglione T., Pizzonia F., Piccione R., et al. Detecting the onset of nucleate boiling in internal combustion engines. Appl. Energy, 2016, vol. 164, pp. 332--340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.11.083

[13] Субхангулова К.З., Абызов О.В., Метелев А.А. Сравнительная оценка тепловых безмоторных стендов для испытания деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Неделя науки СПбПУ. СПб., Изд-во Политехн. ун-та, 2017, с. 220--223.

[14] Абызов О.В. Двухфазная модель теплообмена в каналах охлаждения головки цилиндра судового дизеля. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., ГУМРФ им. С.О. Макарова, 2019.

[15] Abyzov O.V., Galyshev Y.V., Metelev A.A. Implementation of the mechanistic wall boiling model in IC engine cooling gallery simulation. EECE-2018, 2018, vol. 245, art. 09006.