沸腾传热是水冷式内燃机缸盖冷却水套中一种重要的换热方式,随着现代社会对车辆燃油经济性、排放性的要求日益提高,对冷却系统的要求也在不断提高,利用冷却水套内泡核沸腾的高传热能力实现高温冷却,成为未来内燃机冷却系统的发展趋势。高温冷却技术实施的关键在于精确控制缸盖冷却水套内沸腾传热的状态,否则将成为内燃机安全的隐患。因为缸盖冷却水套的结构非常复杂,水套壁面各处热负荷和传热状况的差别很大,如果不能对沸腾状态进行有效控制,冷却水套的局部区域可能会出现过渡沸腾、甚至膜态沸腾,导致缸盖的热损坏。因此,为了更加精确地了解、预测和评价内燃机缸盖冷却水套内的沸腾传热状况,本文从以下几个方面对缸盖冷却水套内复杂流动与传热条件下的沸腾传热问题进行了深入研究。1)为了满足CFD软件的UDS接口对所求解微分方程的要求,以质量含气率来反映气液混合流中气泡的质量份额,通过理论分析和数学推导建立了守恒型的质量含气率方程,采用Rohsenow和Incropera共同推荐的、适用性广的试验关联式来计算流动沸腾传热量,从而获得一种新的均匀流沸腾传热模型。以VC++6.0作为计算机语言,将沸腾传热模型的计算模块嵌入到通用CFD软件中,实现了对整个混合流场采用单相流方程和质量含气率方程进行求解。求出质量含气率后,利用质量含气率与空泡份额之间的关系式,可以间接计算出流场中的空泡份额分布,能够更加直观地从两相流的角度了解流场中的沸腾传热状况。用本文建立的均匀流沸腾传热模型对实验冷却水道内的沸腾传热过程进行了数值模拟计算,给出了实验冷却水道内冷却液的速度、温度和空泡份额分布。为了检验新模型的适用性,将75种不同工况下壁面热流密度的计算值与试验测量值进行了对比分析。对比结果表明,计算值与测量值随壁面温度变化的趋势相同；计算值与测量值之间的平均相对误差为3.5%,除了4个工况的相对误差超过8%,绝大部分工况的相对误差在6%以内,初步验证了模型的可行性。2)为了掌握缸盖的热负荷状况和缸盖冷却水套内的流动沸腾传热状况,为缸盖冷却水套的流—固耦合传热三维数值模拟计算提供检验依据,在自行设计搭建的发动机冷却系统测温试验台上,分别采用硬度塞和铜—康铜热电偶对Duets226-B型柴油机缸盖火力面温度、缸盖内部温度和冷却水套壁面温度进行了试验测量,获得了较为准确的缸盖温度场试验数据。试验结果表明,缸盖温度分布符合火力面温度最高、排气道壁面温度比进气道壁面温度高、冷却水套壁面温度在100℃左右的一般规律。在额定工况下,缸盖火力面的最高温度为298℃,没有超过允许的极限,说明整个缸盖的温度在安全范围以内。从缸盖火力面的温度分布情况来看,最高温度出现在“鼻梁”区,其次是在“鼻梁”区外侧、靠近排气道的区域,测量结果符合“鼻梁”区温度最高、排气门侧温度普遍比进气门侧高的实际情况。缸盖冷却水套壁面的最高温为121℃,说明冷却水套内的局部区域有沸腾现象发生。3)为了考察沸腾对缸盖冷却水套内传热的影响,在考虑与不考虑沸腾两种情况下,分别用CFD软件中的单相液对流传热模型和本文建立的均匀流沸腾传热模型,对Duets226-B型柴油机缸盖冷却水套内的流动和传热过程进行了流—固耦合数值模拟计算。将两种模型的计算结果与试验结果分别进行对比发现,由单相液对流传热模型计算得到的缸盖火力面温度的平均绝对误差为26.8K,平均相对误差为2.67%；距离火力面7mm处温度计算值的平均绝对误差为15.0K,平均相对误差为2.78%。由均匀流沸腾传热模型计算得到的缸盖火力面温度的平均绝对误差为11.8K,平均相对误差为1.42%；距离火力面7mm处温度计算值的平均绝对误差为10.7K,平均相对误差为2.47%。从以上数据可以看出,均匀流沸腾传热模型的数值计算结果与试验测量值更接近,说明考虑沸腾传热更加符合缸盖冷却水套内流动传热的实际情况。对两种模型的计算结果进行对比发现,考虑沸腾传热后,在喷油器与火力面交界处、“鼻梁”三角区和排气道外围等高温区域,换热系数显著增大,喷油器与火力面交界处相差2.5倍左右,“鼻梁”三角区相差2倍左右,排气道外围相差1.5倍左右；而缸盖火力面和冷却水套壁面大部分区域的温度则普遍下降,缸盖火力面最高温度下降了约5K,冷却水套壁面最高温度下降了约17K。以上对比结果表明,沸腾对缸盖冷却水套内传热的强化作用十分明显,数值计算中不应当被忽略。4)由于在CFD软件中添加沸腾模块不仅难度大,而且有些CFD软件不能够顺利施加,因此基于本文建立的均匀流沸腾传热模型提出一种用于缸盖冷却水套内沸腾传热计算的修正算法。修正算法先利用CFD软件模拟简单的纯对流传热过程,将计算得到的热流密度和对流换热系数输出,利用根据修正公式编写的相关程序,在CFD软件外部对热流密度和对流换热系数进行修正,即可得到考虑了沸腾传热影响的综合热流密度和综合换热系数。用沸腾传热修正算法对226-B型柴油机缸盖冷却水套内的沸腾传热过程进行了流—固耦合数值模拟计算,将修正算法的计算结果与试验结果和沸腾传热模型的计算结果分别进行了对比。与试验结果相比,缸盖火力面温度计算值的平均绝对误差为12.7K,平均相对误差为1.53%；距离火力面7mm处温度计算值的平均绝对误差为10.9K,平均相对误差为2.50%。与均匀流沸腾传热模型的计算误差分别进行对比可以发现,两种算法的计算误差基本相同,说明用修正算法模拟缸盖冷却水套内的流动沸腾传热过程具有足够的精度。与均匀流沸腾传热模型的计算结果相比,两种算法计算得到的缸盖冷却水套壁面换热系数分布规律基本一致,计算结果也相差不大,平均相对误差为3.5%；两种算法计算得到的缸盖火力面温度和冷却水套壁面温度分布规律也基本一致,火力面最高温度相差0.5K,冷却水套壁面最高温度相差0.6K,进一步对缸盖不同位置处的壁面温度进行对比发现,两种算法得到的温度之间相差都很小,基本在1.8K以内；而计算时间对比显示,沸腾传热修正算法的耦合收敛速度更快,计算时间明显缩短,完成一次计算可节约时间约40%,表明修正算法具有工程应用价值。5)为了描述缸盖冷却水套内沸腾传热的状态,提出平均空泡份额的概念,以及用平均空泡份额作为反映沸腾传热状态标志量的思想。通过对实验冷却水道进行大量数值模拟计算,确定了按5mm截面参考高度计算平均空泡份额的合理性。通过对沸腾传热各种状态之间转换机理的深入研究,指出目前普遍使用的、以0.5m/s冷却液流速作为泡核沸腾极限状态判断准则的方法存在缺陷。为了判别缸盖冷却水套内沸腾传热的状态,在平均空泡份额概念的基础上,提出以平均空泡份额临界值作为判断缸盖冷却水套内泡核沸腾极限状态的准则,用来判断缸盖冷却水套内的沸腾传热是否超出泡核沸腾的极限状态。通过大量数值计算与分析确定了平均空泡份额与冷却液流速、压力及壁面过热度之间的关系,以及泡核沸腾极限状态下的平均空泡份额临界值。根据泡核沸腾极限状态的判断准则αcr,对利用均匀流沸腾传热模型计算得到的226-B型柴油机缸盖冷却水套壁面附近24880个单元内的平均空泡份额α进行了检验。检验结果表明,所有单元的平均空泡份额值均小于临界值,即满足α<αcr,表明缸盖冷却水套内的泡核沸腾传热没有达到极限状态,是安全的。