張 亮 原亞東 孫志強 李徐佳 陳賀敏

1.燕山大學車輛與能源學院，秦皇島,0660042.燕山大學信息科學與工程學院，秦皇島,066004

0 引言

活塞是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一[1]。若傳給活塞的熱量沒有及時被帶走，會引起活塞發(fā)生熱變形，導致活塞強度顯著降低，甚至會產(chǎn)生燒熔、燒蝕等嚴重后果，使得內(nèi)燃機在工作過程中的安全穩(wěn)定性降低。

為確保發(fā)動機安全穩(wěn)定地運行，必須解決好活塞的冷卻問題。當活塞功率密度超過一定值時，活塞內(nèi)必須設置冷卻油腔才能使活塞正常運行[2]。但冷卻油腔在降低活塞工作溫度的同時也使活塞的工作溫度梯度產(chǎn)生很大的變化，從而產(chǎn)生較大的熱應力，因此冷卻油腔結(jié)構(gòu)的合理設計是降低活塞熱負荷、保證活塞工作可靠性的關(guān)鍵[3]。隨著工程需求的持續(xù)提升，內(nèi)燃機熱負荷不斷增大，活塞冷卻油腔內(nèi)的熱量需及時傳遞至外部。若僅僅采用增大活塞冷卻油腔橫截面積的方法來強化傳熱，則活塞強度將顯著降低，因此需在有限體積內(nèi)將傳統(tǒng)冷卻油腔的直壁通道形狀改為利于帶走熱量的通道形狀，以強化冷卻油腔內(nèi)的熱質(zhì)傳遞。

大多數(shù)活塞冷卻油腔的冷卻通道采用三維直壁通道。許多學者開展了不同形狀通道內(nèi)牛頓流體的熱質(zhì)傳遞及流動特性方面的研究[4-9]。

除牛頓流體外，剪應力與剪切變形率間以非線性關(guān)系呈現(xiàn)的非牛頓流體在熱質(zhì)傳遞領(lǐng)域得到了廣泛應用，非牛頓流體在不同流路中的流動特性研究也逐漸展開。ZHANG等[10]在不同形狀的波壁管內(nèi)研究了具有非牛頓流動特性的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液的流動特性，他們發(fā)現(xiàn)：與水相比，該非牛頓流體的摩擦因子顯著減小。AFZAL等[11]對T形通道和迂回通道中非牛頓流體的流動與混合特性進行了數(shù)值模擬，其研究結(jié)果表明，迂回通道的混合特性要優(yōu)于T形通道的混合特性。張鈞波等[12]采用有限體積法對冪律非牛頓流體在偏心圓環(huán)管中的層流流動和傳熱進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果表明，流體的冪律因子對流動的影響較大，而傳熱則受到偏心率的影響。也有少部分學者在非牛頓流體傳質(zhì)方面展開探索，易妍妍等[13]以CO2氣泡在羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液中的傳質(zhì)為研究對象，分別分析了氣泡速率、CMC溶液濃度、針頭直徑對氣泡生成過程中氣液傳質(zhì)的影響，實驗結(jié)果表明，隨著CMC濃度的提高，黏度和傳質(zhì)系數(shù)均逐漸增大。

綜上所述，現(xiàn)有的多數(shù)研究集中于直壁通道內(nèi)非牛頓流體的流動特性，關(guān)于三維波壁流路內(nèi)脈動流場對非牛頓流體流動特性的影響方面的報道很少。本研究主要通過實驗的手段，開展脈動流場下非牛頓流體在波壁通道內(nèi)的流動及質(zhì)量傳遞特性研究，以模擬內(nèi)燃機冷卻油腔內(nèi)的流動及熱質(zhì)傳遞特性，為脈動流場下非牛頓流體在冷卻油腔內(nèi)的應用提供參考。

1 實驗設備與實驗方法

由于具有典型非牛頓流動特性的PAM水溶液在工程實際中有廣泛應用，故將不同濃度的PAM水溶液作為本研究中的工作流體。與牛頓流體相比，該非牛頓流體具有剪切變稀的特點[14]，其在流動過程中剪切變形率越高,黏度越小，流動邊界層越薄，傳熱熱阻越小，越有利于熱質(zhì)傳遞。

脈動流作用下的單循環(huán)實驗系統(tǒng)見圖1。工作流體的動力源為離心泵，采用轉(zhuǎn)子流量計來測控工作流體流量?；钊脤嶒灦蝺?nèi)工作流體施加正弦振動。溢流槽設置在實驗段出口位置，該設置消除了外界條件對層湍轉(zhuǎn)捩的影響。熱交換器用來控制工作流體的溫度。波壁管的形狀參數(shù)見圖2，其中λ為波壁管波長，2a為波壁管波幅，Dmax、Dmin分別為波壁管最大和最小截面處直徑。

圖1 脈動流作用下實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system under pulsating flow

圖2 波壁管的形狀參數(shù)Fig.2 Shape parameters of wave-walled tube

1.1 沿程阻力測量系統(tǒng)

用壓力差的實驗方法來研究系統(tǒng)的沿程阻力，實驗段兩端的壓力差用U形管壓差計進行測量。測量時將實驗段入口和出口的測壓口分別與U形管壓差計兩側(cè)相連接。將密度較大的四氯化碳作為指示液，并用較大密度四氯化碳和較小密度工作流體的密度差來計算實驗段的壓力差。

1.2 活塞泵的工作原理

圖3a所示為活塞泵中活塞一個脈動周期內(nèi)的往復運動，往復運動的瞬時速度可表示為

ui=2πfTssin(2πt/T)

(1)

式中，fT為脈動頻率;s為偏心轉(zhuǎn)盤沖程;t為脈動流動的瞬時時刻;T為一個完整脈動周期。

一個脈動周期內(nèi)不同時刻(t/T=0～1)脈動流的瞬時流量見圖3b。從圖3b中可以看出，t/T=0～0.250的區(qū)域為流體加速區(qū)，流體流速在活塞泵的作用下逐漸增大；t/T=0.250時，流體流量在該脈動周期內(nèi)最大;t/T=0.250～0.500區(qū)域內(nèi)流體流速逐漸減小，稱該區(qū)域為減速區(qū)；t/T=0.500時，脈動流量與定常流量qVs相同;t/T=0.500～0.750區(qū)域內(nèi)，流體流量在脈動泵的作用下開始小于定常流量并逐漸減小，減小至流量為零后，開始向逆凈流量方向增大;在t/T=0.750時流體流量在逆凈流量方向達到最大值；當流體流動進入t/T=0.750～1.000區(qū)域內(nèi)，流體反向流動速度逐步降至零點，然后出現(xiàn)逐步增大的凈流動方向速度。

(a)活塞的運動位置

(b)脈動流瞬時流量對應的時刻圖3 脈動流流量與活塞位置的關(guān)系Fig.3 The relationship between the flow rate of pulsating flow and the position of piston

1.3 可視化實驗原理

脈動流場可以使流動流體在低雷諾數(shù)下發(fā)生傳遞強化，因此本研究利用Scotch-Yoke裝置來控制脈動頻率，同時用定時刻可視化技術(shù)觀察波壁管內(nèi)流體復雜的流動現(xiàn)象，來分析并闡明管內(nèi)流體的流動特性。為仔細分析流體在加速區(qū)、減速區(qū)、反向加速區(qū)、最大和最小流速時的流型，對轉(zhuǎn)盤中心軸的圓周方向進行八等分，并標明等分線，每一條等分線對應一個脈動周期不同區(qū)域內(nèi)的流型。在可視化流型采集過程中，在轉(zhuǎn)盤軸向位置安裝一個反光螺栓，并不斷調(diào)整中心軸上反光螺栓的位置使其對準不同速度區(qū)的等分線，最終可采集到流體在不同速度區(qū)內(nèi)的流型，整個定時刻可視化裝置見圖4。在整個流動可視化過程中,將鋁粉作為示蹤粒子。

圖4 定時刻可視化實驗裝置Fig.4 The experimental apparatus for timing visualizations

將強力探照燈用遮光紙改造成片光源，用于第9波段的可視化實驗， 整個流動可視化拍攝系統(tǒng)見圖5。脈動流場下可視化流型的瞬時采集依靠光驅(qū)照相系統(tǒng)來完成。為準確采集在不同速度區(qū)域的流體流型，將反光螺栓的位置調(diào)整到某一速度區(qū)的刻線處，與光纖傳感器連接的光驅(qū)數(shù)碼相機接收反光螺栓的光信號，與此同時，光驅(qū)相機被驅(qū)動，從而采集到不同速度區(qū)流體的瞬時流型。依次調(diào)整反光螺栓對應于不同的速度區(qū)，最終得到所有速度區(qū)內(nèi)流體的瞬時流型。整個可視化實驗過程所采用的光驅(qū)相機型號為Nikon D2H，其曝光時間和光圈值的范圍分別為1/6～1/35 s和F=2.5～10.0。

圖5 流體流型采集系統(tǒng)Fig.5 Fluid flow pattern acquisition system

1.4 參數(shù)定義

本實驗在圖1所示的脈動流作用下的單循環(huán)實驗系統(tǒng)中完成，摩擦因子f的表達式如下：

(2)

式中，Δp為測試段兩側(cè)的壓力差;L為測試段長度;ρ為流體密度;u為流體流動速度。

將工作流體凈流量qVs定義為循環(huán)系統(tǒng)中流量計所控的穩(wěn)定流量。由離心泵控制凈流量的大小，活塞泵使流體產(chǎn)生振動流。脈動流場的振動分率和St數(shù)的大小可通過活塞泵來調(diào)節(jié)。則脈動流流量可表示為

qVi=qVs+qVosin(2πt/T)

(3)

式中，qVi為某時刻脈動流作用下的瞬時流體流量;qVo為無凈流量時脈動流作用下流體的最大流量;A為管道截面積;DP為脈動裝置的當量直徑。

波壁管由圖2所示的14個周期的波段組成，則脈動參數(shù)可分別表示為

Res=ρusDmax/μ

(4)

P=qVo/qVs

(5)

St=2πfTDmax/us

(6)

式中，Res為凈雷諾數(shù)；P為振動分率；μ為流體動力黏度；us為波壁管周期內(nèi)每個最大截面處流體的平均速度。

為仔細分析操作參數(shù)對流體流動形態(tài)的影響，引入不穩(wěn)定率:

U=N-/N-and+

(7)

式中，N-為脈動條件下不穩(wěn)定流動區(qū)域數(shù)量;N-and+為脈動條件下所有脈動流域的數(shù)量。

2 結(jié)果和討論

2.1 雷諾數(shù)對摩擦因子的影響

圖6所示為采用壓力差方法測得的波壁通道內(nèi)的摩擦因子。根據(jù)摩擦因子f隨雷諾數(shù)Re變化的整體趨勢，在波壁通道內(nèi)將水和非牛頓流體PAM(質(zhì)量分數(shù)w(PAM)=1.50×10-4,下文未特殊說明的，均指該質(zhì)量分數(shù)PAM)各分為3個流域。水流域的劃分為：Re<594的低雷諾數(shù)流域，摩擦因子與雷諾數(shù)成反比，并近似線性降低，該區(qū)域為層流區(qū)；594≤Re≤829時，雷諾數(shù)與摩擦因子成正比，兩者為非線性關(guān)系，該區(qū)域為過渡流區(qū)；Re>829時，雷諾數(shù)與摩擦因子無關(guān)，該區(qū)域為湍流區(qū)。同理，PAM的層流區(qū)、過渡流區(qū)和湍流區(qū)依次為：Re<254、254≤Re≤426和Re>426。

圖6 雷諾數(shù)與摩擦因子的相關(guān)性Fig.6 Relationship between friction factor and Reynolds number

由圖6可以看出，與水在直壁通道內(nèi)的流動相比(Re=2 320)，水在波壁通道內(nèi)層湍轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)減小至594，層湍轉(zhuǎn)捩點提前了74.4%，將工作流體替換為非牛頓流體PAM后，層湍轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)由594減小至254，層湍轉(zhuǎn)捩點再次提前了57.2%；與其他質(zhì)量分數(shù)的PAM相比，當PAM質(zhì)量分數(shù)為1.5×10-4時，流動阻力最小，原因可能是PAM分子在流動時形成了有利于流動方向分子鏈的排列，隨著剪切速率的增大，近壁處流體的黏度急劇下降、從而導致了剪切變稀。

2.2 波壁通道內(nèi)流體的流動特性

根據(jù)流體在層流區(qū)和湍流區(qū)流動的特點，將流體流動形態(tài)定義為兩種流動結(jié)構(gòu)。圖7a所示為Re=50時(層流區(qū))PAM在波壁管內(nèi)的流動形態(tài)。該流動形態(tài)的特點為：主流與波壁管軸線平行，在每個波段徑向?qū)ΨQ位置形成穩(wěn)定的漩渦，漩渦中心位于一個完整周期的后半部分；主流和漩渦間幾乎沒有產(chǎn)生流動交換，導致該流動區(qū)域內(nèi)流體的傳質(zhì)速率較小、混合效果較弱?？傮w來看，該流動區(qū)域內(nèi)流體流動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可將該流動形態(tài)定義為穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)，用“+”表示。圖7b所示為Re=460時(湍流區(qū))PAM在波壁管內(nèi)的流動形態(tài)。與上述穩(wěn)定的流動結(jié)構(gòu)相比，該流動區(qū)域內(nèi)流體的流動結(jié)構(gòu)有顯著差異。在湍流區(qū)域內(nèi)流體的流動特點為：主流不再與波壁管軸線平行，發(fā)生徑向紊亂；每個波段徑向?qū)ΨQ位置形成的漩渦不再穩(wěn)定，有利于減小邊界層厚度，將該流動形態(tài)定義為不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)，用“-”表示。由該可視化結(jié)果可知，與傳統(tǒng)直壁管相比，波壁通道內(nèi)的工作流體在雷諾數(shù)較低時就會出現(xiàn)不穩(wěn)定流動形態(tài)，該可視化實驗結(jié)果與壓力差的實驗結(jié)果相一致。

(a)“+”流動形態(tài) (b)“-”流動形態(tài)圖7 “+”流動和“-”流動的結(jié)構(gòu)特性Fig.7 The flow structure characteristics of “+” flow and “-” flow

2.3 脈動流場對波壁管內(nèi)流體流動特性的影響

圖8所示為Res=496、P=0.4、St=0.53條件下，PAM在脈動流場作用下的流動形態(tài)，其中Rei為脈動狀態(tài)下管內(nèi)流體的瞬時雷諾數(shù)。根據(jù)前文對流動穩(wěn)定性的定義，對流體在不同流動區(qū)域內(nèi)的流動形態(tài)進行分析。由圖8可以看出，當流體流動位于減速區(qū)域t/T=0.250～0.625時，流體流動混合速率加快，主流發(fā)生徑向紊亂，為“-”流動；而當流體流動位于t/T=0～0.125和t/T=0.750～0.875區(qū)域內(nèi)時，為“+”流動。對整個脈動周期的流體流動進行對比分析后發(fā)現(xiàn)，漩渦中心首先向下游移動，然后依次經(jīng)歷縮小、消失、重新形成、增長，并移動至上游的變化過程。即流體在減速區(qū)內(nèi)更易產(chǎn)生不穩(wěn)定流動形態(tài)，流動混合效果較好。

(a)Rei=496,t/T=0,“+” (b)Rei=636,t/T=0.125,“-”

(c)Rei=694,t/T=0.250,“+” (d)Rei=636,t/T=0.375,“-”

(e)Rei=496,t/T=0.500,“-” (f)Rei=356，t/T=0.625,“+”

(g)Rei=298,t/T=0.750，“-” (h)Rei=356，t/T=0.875，“+”圖8 PAM溶液的流動結(jié)構(gòu)(Res=496，P=0.4，St=0.53)Fig.8 Flow structure of PAM solution(Res=496，P=0.4，St=0.53)

將無反向流與有反向流的“+”、“-”流動進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1～表3，其中Res=109，PAM濃度為1.5×10-4。通過對比并分析表1～表3的流體“+”、“-”流動形態(tài)可知：①流動在正向加速區(qū)域趨于“+”流動，在反向減速區(qū)域趨于“-”流動；②隨著St數(shù)的增大，“-”流動區(qū)由正向加速區(qū)域向反向減速區(qū)轉(zhuǎn)移；③對比不穩(wěn)定率P=0.4與P=1.5可以發(fā)現(xiàn)，有反向流時，流體不穩(wěn)定率較高且出現(xiàn)在層流區(qū)域，與無反向流相比，反向流發(fā)生時的不穩(wěn)定率U由0增大至37.5%。

表1 PAM溶液一個脈動周期內(nèi)的流型(P=0.4)

表2 PAM溶液一個脈動周期內(nèi)的流型(P=1.0)

表3 PAM溶液一個脈動周期內(nèi)的流型(P=1.5)

2.4 在相同脈動條件下的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果

本研究利用FLUENT6.1軟件，對與上述實驗段相同形狀的波壁管內(nèi)流體在脈動流作用下的流動形態(tài)進行分析。

圖9 計算網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The structure diagram of computing grid

(2)模擬結(jié)果。在FLUENT6.1軟件中導入與實驗條件相同的脈動流程序后，可得到脈動流場下流體在一個脈動周期內(nèi)的瞬時流量隨時間步長的變化曲線，見圖10。

圖10 一個脈動周期內(nèi)流量隨時間步的變化Fig.10 The flow variation with time step in a pulsating period

PAM在Res=109、P=0.4、St=0.32條件下，不同速度區(qū)域內(nèi)流體流動的實驗與數(shù)值模擬(FlUENT6.1軟件)結(jié)果見圖11。由圖11可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的整體吻合度較高，因此可用Fluent6.1軟件來對相同條件下的實驗研究進行補充與拓展。

3 結(jié)論

(1)由壓力差實驗結(jié)果可知：與水在直壁通道內(nèi)的流動相比，水在波壁通道內(nèi)層湍轉(zhuǎn)捩點約提前了74.4%，將工作流體替換為w(PAM)=1.5×10-4的非牛頓流體后，層湍轉(zhuǎn)捩點再次提前57.2%；非牛頓流體在質(zhì)量分數(shù)為1.5×10-4時，流動阻力最小。

(2)由可視化實驗結(jié)果可知：與水在直壁通道內(nèi)的流動相比，波壁通道內(nèi)工作流體在雷諾數(shù)較低時就可出現(xiàn)不穩(wěn)定流動形態(tài)。

(a)t/T=0

(b)t/T=0.125

(c)t/T=0.250

(e)t/T=0.500

(f)t/T=0.625

(g)t/T=0.750

(h)t/T=0.875圖11 PAM溶液的數(shù)值模擬和可視化照片(Re=109，P=0.4，St=0.32)Fig.11 Numerical simulation and visual photographs of PAM solution (Re=109，P=0.4，St=0.32)

(3)脈動流場的操作參數(shù)對流體在波壁通道內(nèi)的流動有較大影響：在層流區(qū)域內(nèi)，較大振動分率、中等St數(shù)條件下的流體不穩(wěn)定率最高，可達37.5%。

(4)脈動流場下非牛頓流體在波壁管內(nèi)流動特性的模擬結(jié)果與相同條件下的實驗結(jié)果吻合的較好，故可采用FlUENT6.1軟件來模擬不同雷諾數(shù)下波壁通道內(nèi)流體的流動特性，以輔助拓展通道形狀的改變對活塞冷卻油腔內(nèi)工作流體的阻力及流動特性的影響方面研究。