納米流體流動和散熱規律對氫內燃機的影響

劉 棟

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

引言

納米流體在能源、化工、汽車、建筑、微電子、信息等領域具有巨大的潛在應用前景，從而成為材料、物理、化學、傳熱學等眾多領域的研究熱點[1]。納米流體在提高流體換熱能力的同時，由于小尺寸效應和布朗運動，與傳統添加微米或毫米固體粒子的流體相比，懸浮穩定性更好[2]。近些年在清潔能源的研究上，受到了各方學者的廣泛關注，一些發達國家都制定了相應的對氫能源發展的戰略性計劃[3]。但是氫發動機至今沒有廣泛的應用開來主要面臨自身的挑戰，容易發生早燃、回火和高熱負荷等原因。本次數值模擬就是研究納米流體流動和散熱規律，尋求減少燃燒熱和提高散熱效率的新途徑。

1 研究方案

本文通過建立數值模型，以氧化石墨烯乙二醇混合納米流體作為傳熱工質對氫內燃機散熱規律進行研究，模擬中氧化石墨烯納米流體的體積分數分別為 0%，1%，2%，5%和7%，并保證進口流量一定，即入口質量流量不變且混合流體中乙二醇體積分數保持不變。

2 仿真模型

2.1 物理模型

模擬采用發動機內的缸蓋水腔，氣缸蓋結構及形狀復雜，受力大而不均勻，各部分溫度分布也不均勻。因此，對缸蓋的冷卻是十分重要的。三維數值模擬中，高質量網格是實現數值模擬的首要前提條件，網格過疏或者過密都會對計算產生很大的影響。本文在網格劃分中主要采用非結構體的六面體網格，六面體網格不但可以使得計算機網格數目減少，而且計算精度高，適應算法也較多。圖1為氫內燃機冷卻水套網格模型。

圖1 氫內燃機冷卻水套網格模型

2.2 初始條件

冷卻水進口流體的溫度變化范圍：85℃-95℃，本文選取363.15K；出口表壓變化范圍：0.08-0.15MPa，本文選取0.1MPa；進口流量：1.02Kg/s-2.5 Kg/s，本文選取1.02Kg/s。

3 結果分析

3.1 不同氧化石墨烯體積分數下水腔整體計算結果分析

表1為水腔整體速度場和溫度場參數對比，由于進出口結構相同且二者的水力直徑相同，從進口和出口平均速度來看，當氧化石墨烯的體積分數從0%到7%的過程中，進出口的平均速度逐漸減小。當進口質流量一定時，氧化石墨烯的體積分數增大，混合流體的密度和粘度都增大。當粘度增大了流體的阻力必然增大，阻礙了粒子的進程，從而導致流體速度變小。

表1 水腔整體速度場和溫度場參數對比

表1可以看出，隨著氧化石墨烯粒子體積分數的增大，進出口的溫度差是逐漸增大的，設置進口溫度同為363.15K，出口溫度是在增加的。從整體上來看，在進口質流量和進口溫度一定時，氧化石墨烯體積分數的增加，冷卻性能逐漸降低。上述現象可解釋為速度快的區域相同時間內流過的納米流體多，在一定熱量的情況下，混合納米流體就會帶走更多的熱量。而隨著氧化石墨烯的體積分數不斷增大，混合納米流體密度和粘度變大，進出口的速度變小，缸蓋整體區域的流速也會變低。速度變低，相同時間內，帶走的熱量將會降低，整體的溫度就會變高，導致散熱情況不好。

3.2 不同氧化石墨烯體積分數下水腔高溫區域計算結果分析

水腔高溫區域主要集中在排氣管道壁面和鼻梁區兩處，表2所示為排氣管道壁面和鼻梁區計算數據結果。

表2 排氣管道壁面和鼻梁區

由表2可得，隨著氧化石墨烯體積分數的增加，排氣管道壁面平均溫度逐漸增加，氧化石墨烯的體積分數在0%-1%過程中，熱流率隨著其體積分數的增加而增大，而當氧化石墨烯的體積分數超過 1%時，熱流率呈現逐漸減小趨勢。故體積分數為 1%左右時應該達到了相對理想的狀態，此時與基液相比熱流率提高了6.25%，故氧化石墨烯體積分數在1%時對內燃機的冷卻效果最好。

而鼻梁區隨著氧化石墨烯體積分數的增加，溫度是在上升的。隨著氧化石墨烯體積分數的增加，速度變化規律出現波動情況，同時熱流率也呈現不規則變化。猜測主要由于鼻梁區本身結構復雜，容易出現較強的湍流或回流現象，使得速度出現不規律的變化，從而影響了熱流率值的大小。

4 結論

對于水腔整體而言，增大氧化石墨烯的體積分數，其密度和粘度都會增大，在進口質流量一定的情況下，納米流體的整體速度會變小，使散熱惡化；粘度的增大也將使流動阻力增大，增加功耗。

在氧化石墨烯納米粒子體積分數為 1%時，高溫區的熱流率相比基液都有了提高。而鼻梁區本身復雜的結構，容易出現較強的湍流或者回流現象，使得速度出現不規律的變化，從而影響了熱流率值的大小，熱流率出現波動情況。

[1] 喬峰.Ag.石墨烯納米流體的制備及性能研究[D].青島:青島科技大學,2010.

[2] 李艷嬌,趙凱,羅志峰等.納米流體的研究進展[J].材料導報.2008（11）:87-91.

[3] 傅捷.氣泡行為的可視化研究[D].武漢:武漢工程大學,2012.