内燃机冷却系统中应用纳米流体强化传热研究综述

内燃机工作时依赖冷却系统将多余热量及时带走以保证燃烧室核心部件及润滑油膜的正常工作温度。常规内燃机冷却介质导热系数偏低,而新一代强化传热工质纳米流体具有明显提升的传热性能,应用于内燃机冷却系统有利于强化内燃机传热及提高热管理性能。且由于纳米流体的传热性能受纳米粒子的种类、大小、浓度、形状等因素影响,可以通过改变这些因素控制内燃机冷却水腔的传热量。综述了国内外研究者针对纳米流体导热系数与对流换热性能开展的试验测试、理论分析和计算机模拟研究工作,以及纳米流体应用于内燃机冷却系统中强化传热的进展,最后指出当前研究工作的不足及未来工作方向。     

纳米流体强化内燃机冷却系统流动的基础研究

利用高导热率、传热性能好的传热工质(纳米流体)替代传统冷却介质应用于内燃机冷却系统中,通过纳米流体流动特性的基础研究,为其在内燃机冷却系统中的应用提供理论基础支持.因此,利用试验方法对纳米流体在波壁管内的流动进行可视化研究,以期对纳米流体的流动机理进行详细的探讨,从而推动纳米流体在内燃机冷却系统中的应用.研究发现:纳米流体的黏度增加值不大,且随着温度的升高,增加值降低;而相同入口速度状态下,纳米流体在波壁管内的流动比纯水更为活跃,漩涡数量增多,质量传递特性增强,且随纳米颗粒浓度的增加,流动湍流效应增大.通过分子动力学方法发现纳米颗粒在纳米流体流动过程中存在强烈的旋转作用,从而出现微湍流流动效应,进一步强化了纳米流体的湍流流动效果.     

相同氧含量醇类混合燃料燃烧和排放特性差异研究

对一台4缸发动机燃用相同氧浓度的不同醇类混合燃料进行了试验研究,以对比不同三元燃料柴油机在相同转速不同负荷情况下的燃烧特性和常规排放的差异。试验结果表明:甲醇混合燃料在醇类混合燃料中获得最高的燃烧压力,而丁醇混合燃料的热释放率最高。与普通柴油相比,戊醇混合燃料在不同混合物中具有相对最佳的CO和未燃碳氢排放,甲醇混合燃料可获得最优的氮氧化物排放;乙醇混合燃料减小颗粒物效果明显,最大可以减少22.4%～55.6%的颗粒物数量浓度和3.4%～12.8%的颗粒物粒径,其中乙醇混合燃料的核态颗粒物和聚集态颗粒物排放量也最低,戊醇混合燃料达到最高(除高负荷外)。     

纳米通道内纳米流体流动特性的分子动力学模拟

利用分子动力学方法对铜-氩纳米流体和基础流体在不同剪切速度下的纳米尺度的Couette流进行模拟计算。结果表明:在纳米尺度通道内,纳米流体流动过程中颗粒存在旋转运动和平移运动,从而加强湍流效果,强化传热并影响整个流动区域内的流动速度分布,造成纳米流体速度呈非线性分布。壁面和纳米颗粒表面都会形成一层排布更为规则的液体原子吸附层,吸附层内液体分子在流体流动过程中一直伴随着壁面和纳米颗粒进行运动,且吸附层具有"类固"特性,可以增强纳米流体的传热能力。     

纳米流体中纳米颗粒微运动的分子动力学模拟

建立了以水分子为基础液、以铜纳米颗粒为悬浮粒子的纳米流体模型,利用分子动力学模拟方法对纳米颗粒的微运动行为进行分析。研究发现纳米颗粒在基础液中具有高速的随机旋转与平移运动,旋转运动的角速度为1×10⁹~1×10¹⁰ rad·s^-1,平移运动的速度为1~10 m·s^-1。纳米流体速度分布与温度分布主要区别于单相基础液的位置在近壁面附近,纳米流体无论是速度梯度还是温度梯度均比单相流体的情况大,其主要原因是纳米颗粒在基础液中的随机运动,而改变的流体速度特性又会进一步影响传热过程。     

Theoretical solution of transient heat conduction problem in one-dimensional double-layer composite medium

To make heat conduction equation embody the essence of physical phenomenon under study, dimensionless factors were introduced and the transient heat conduction equation and its boundary conditions were transformed to dimensionless forms. Then, a theoretical solution model of transient heat conduction problem in one-dimensional double-layer composite medium was built utilizing the natural eigenfunction expansion method. In order to verify the validity of the model, the results of the above theoretical solution were compared with those of finite element method. The results by the two methods are in a good agreement. The maximum errors by the two methods appear when τ (τ is nondimensional time) equals 0.1 near the boundaries of ξ =1 (ξ is nondimensional space coordinate) and ξ =4. As τ increases, the error decreases gradually, and when τ =5 the results of both solutions have almost no change with the variation of coordinate ξ.