摘 要

本文首先就发动机冷却性能在国内外的研究现状作了一个时间轴式的阐述，通过研究国内外发展状况，发现对于发动机冷却性能的提升研究在物理结构方面已经达到了瓶颈，使得研究人员把性能提升的研究方向转向如何提升发动机冷却系统内冷却液的传热性能。研究方法为在保证相同的发动机冷却系统的内部结构前提下比较传统的冷却液和添加了新型纳米金属粒子后的冷却液即纳米流体在同样的工作环境下所表现出的传热效率。纳米流体的定义一般为以传统传热工质作为新型冷却液的基液，向基液中加入尺寸达到纳米级别的粒子从而使冷却液成为一种多相体系，与传统冷却液进行比较，纳米流体因为其独特的传热机理使得纳米流体的传热性能具有明显的提升，因此以纳米流体替代传统的冷却系统冷却液理论上可以提高冷却介质的传热性能。本文将利用UG设计理想模型，然后用Gambit和Fluent进行网格划分以及模拟分析，比较不同材料流体的相关参数，即温度场，速度场和压力场，分析研究纳米流体在传热性能上的提升能力。结果表明使用新型的纳米流体冷却液能够有效的提高发动机的传热性能。

关键词：发动机冷却系统，传热效率，纳米流体，模拟分析

ABSTRACT

This paper first elaborates on the current situation of engine cooling performance at home and abroad. By studying the development status at home and abroad, it is found that the research on the improvement of engine cooling performance has reached the bottleneck in the physical structure, Increases the heat transfer performance of the coolant in the engine cooling system. The research method is to improve the heat transfer efficiency of the nanometer fluid in the same working environment compared with the traditional coolant and the new type of nano-metal particles after the internal structure of the engine cooling system is guaranteed. The definition of nanofluids is generally based on the traditional heat transfer medium as the base of the new coolant, adding the particles of the nanometer level to the base liquid so that the coolant becomes a multi-phase system, compared with the traditional coolant, Because of its unique heat transfer mechanism, the heat transfer performance of nanofluids is obviously improved. Therefore, replacing the traditional cooling system with nanometer fluid can improve the heat transfer performance of the cooling medium in theory. In this paper, we use UG to design the ideal model, and then use Gambit and Fluent for meshing and simulation analysis. We compare the parameters of different materials,like the temperature field, velocity field and pressure field to analyze the improvement of heat transfer performance of nanofluids ability. The results show that the use of new nano-fluid coolant can effectively improve the heat transfer performance of the engine.

Key words: engine cooling system, nano-fluid, heat transfer efficiency

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 选题的依据、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 冷却系统自身结构的分析和优化 2

1.2.2 应用纳米流体提高冷却系统的传热性能 3

1.3研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 3

1.3.1 基本内容与目标 3

1.3.2  拟采用的技术方案及措施 4

1.4本章小结 4

第2章 发动机冷却系统和纳米流体介绍 5

2.1发动机冷却系统 5

2.1.1 发动机冷却系统的分类以及作用 5

2.1.2 水冷系统和冷却液的选择 6

2.2水冷系统主要部件的构造 7

2.2.1 散热器的结构 7

2.2.2 冷却风扇和节温器 8

2.2.3 发动机冷却水套 8

2.3纳米流体 8

2.3.1 纳米流体的研究背景和组成 8

2.3.2 纳米流体的制备 10

2.3.3 对纳米流体的展望 11

2.4本章小结 11

第3章 发动机缸体和缸盖冷却水套中的模拟 12

3.1计算流体力学的介绍 12

3.2冷却水套数值模拟基本控制方程 12

3.3湍流模型的介绍 14

3.3.1流动状态 14

3.3.2 k-ε流动模型的介绍 15

3.4数值模拟软件介绍 16

3.4.1 UG软件介绍 16

3.4.2 Gambit软件介绍 16

3.4.3 Fluent软件介绍 17

第4章 模型的建模、网格划分和模拟计算 19

4.1 冷却水套模型的三维建模 19

4.2 模型的网格划分以及边界分类 24

4.3仿真模拟分析计算 26

4.5 本章小结 33

第5章 全文总结 34

5.1 实验结论 35

5.2 研究展望 35

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1 选题的依据、目的和意义

冷却系统作为发动机的一个重要结构组成,随着现代发动机升功率的大幅提高,发动机气缸内的工作温度必然会随之提高,导致传递给燃烧室周围部件的热量也大幅增加,使得发动机冷却系统的冷却性能成为发动机内的重要影响因数之一,甚至可能影响发动机的高速化发展,而且冷却系统工作性能的优劣也会直接影响发动机的使用寿命、燃油经济性、动力性等关键性能指标。进一步说，作为汽车的核心部件，发动机既能够为汽车的提供所需动力，也能够保证汽车的安全运行。目前，我国汽车的发动机在对发动机运行时候产生的大量热量进行传热、散热时，普遍存在一个急需解决问题，那就是如何强化发动机的传热性能使得发动机在高功率和高转数下运行的时候保证其冷却效果和热平衡，这样才能够让发动机为保证汽车的良好动力性而提高其输出功率的同时又能够保证良好的经济性。发动机的冷却系统很大程度上是能够影响发动机的动力性能，而为了削弱汽车发动机这一因素的影响程度，需要对冷却系统的传热性能进行进一步的改良和开发，这是发动机设计过程中需要考虑的关键性问题之一。改善发动机冷却系统的传热性能主要有两类思路：第一，通过优化冷却系统的结构以提高冷却系统的传热性能；第二，提升冷却介质的传热性能从而提高冷却系统的传热性能。在一段时间内，发动机冷却系统冷却性能的提升主要以结构优化为主，然而随着现代发动机对冷却系统传热性能的要求越来越高，优化发动机的几何结构的方法已不能满足发动机的冷却性能需求，而提高冷却介质传热性能的思路在优化结构的方式到达目前技术的极限的背景下逐渐被采取，以期望这种方法能够进一步提高冷却系统整体传热性能，而这也是解决发动机冷却系统逐渐提高的冷却需求的现行途径。 纳米流体的定义是以传统传热工质作为新型冷却液的基液，向基液中加入尺寸达到纳米级别的粒子从而使冷却液成为一种多相体系，相较于传统冷却液，纳米流体拥有更突出的传热能力，因此以纳米流体替代传统的冷却系统冷却液可以提高冷却系统的传热性能。目前用于制备纳米流体的纳米颗粒主要有Al₂O₃、Cu0 和 Si0₂等粉体，基液多为水和乙二醇等液体。纳米流体的强化传热的机理主要包括两个方面原因: 1) 固体粒子的导热性能由于固体的本身特性通常比液体的导热性能大很多，并且将纳米粒子加入基液中后，在粒子与液体之间的的固液界面上因为微作用力的作用会产生仅有几个原子距离厚度的液膜，而且液膜会因为粒子的表面作用使得自身的相性会逐步趋于固相，其导热性能也因逐渐靠近固体的导热性能也会远大于液体的导热性能，从而大大增强了纳米流体导热能力；2) 由于纳米粒子的尺度为纳米级别，作用在粒子上的微作用力如范德瓦耳斯力、静电力和布朗力等原先在宏观范围内可忽略的作用力都不能再次被忽略，布朗运动的作用效果也会产生明显影响，从而引起布朗扩散、热扩散等微观现象，使得粒子表面与液体之间发生微对流，这种现象可以加快能量的传递速度，从而提升纳米流体整体的导热性能。纳米流体作为一种新型冷却介质，若应用于发动机的冷却系统之中，冷却系统的传热性能将得到加强，发动机的工作温度也可以在合适范围内下，同时，能在设计冷却系统的结构尺寸时使得整体结构变得更小、质量更轻，从而节约冷却系统的制造耗材和成本。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冷却系统自身结构的分析和优化

由于发动机冷却水套结构的复杂性，而且整体存在于发动机体的内部之中，用传统流体力学的研究方式进行研究有很大的操作难度，因此对流体的的数值模拟技术得到了广泛的运用．当进行一个数值模拟需要考虑多个物理参数的相互关系时，这种模拟可以称之为耦合模拟，耦合模拟根据性质可以分为顺序耦合与整体耦合( 直接耦合)这两种方法^【1】，2005年白敏丽等^【2】将活塞组/润滑油膜/气缸套、冷却介质作为一个耦合体，采用顺序耦合的方法，在缸套的壁面温度分布结果通过有限元的分析从而得出的前提下，根据水套的边界条对流体在水套中的流动进行模拟计算，如果再把缸套既受到燃气的影响又受到冷却水换热的影响这一情况加以考虑，那么整体耦合的方法将更加实用．2006年浙江大学李婷^【3】对发动机多缸中的一缸(无缸盖)进行缸体和冷却水套的耦合进行传热模拟分析，得到了稳态传热问题的数值解．2009年骆清国等^【4】采用CFD软件，对柴油机一缸的气缸盖进行耦合传热分析研究，得出了发动机在额定工况下运转时冷却液的流场、缸盖以及耦合面的温度分布情况．2014年大连理工张志文^【5】采用直接流-固耦合的方法,发现改用纳米流体作为冷却液之后,发动机冷却水腔内的流体流场、压力损失等变化情况并不显著,但整体的传热效果明显增强,燃烧室周围部件的最高温度和火力面的温度梯度都明显降低。随后的研究^【6-8】还包括建立发动机冷却系统的仿真模型，并利用MATLAB进行仿真实验以及其他的先进系统的设计，分析。在国外，2003年Kleemann^【9】用耦合传热法计算得出气缸盖的温度场分布．Xin等以V6汽油机的一缸为研究对象，将进排气系统、燃烧系统、冷却系统及缸盖、缸体、垫圈等部件耦合在一起进行模拟研究，计算结果表明，当发动机的转速在较大的范围内变化时，耦合模型的计算结果与试验结果文星程度较高。

但是随着时代的发展，对于冷却系统内的结构优化在一批批的研究人员的努力下已经达到目前技术水平的极限，故研究人员开始改变思路，把研究重心放在了在冷却系统中循环工作的冷却液上。

1.2.2 应用纳米流体提高冷却系统的传热性能

1995年，美国 Argonne 国家实验室的Choi等^【10-11】首次阐述纳米流体这一词的含义，通过对纳米流体的传热机理和传热性能持续不断的试验与研究，总结得：纳米流体作为新型的冷却介质相较于传统的冷却液具有更高的传热性能。因此，考虑到纳米流体这种优秀的传热性能，尝试着将纳米流体用做于发动机水冷系统的冷却液，以达到强化传热、加强发动机冷却系统冷却性能的目的。随后国外的研究者^【12-13】主要研究胶体纳米粒子的混合物形成的纳米流体的特性，如加强传热,热导率,改善表面体积比的增加，布朗运动,热泳等。此外,还总结了最近的研究在实验和理论研究在纳米流体强迫和自由对流换热,热物理性质及其应用,指出未来研究的挑战和机遇。而在国内，以白敏丽等人^【14-16】为首的研究人员也在研究纳米流体在发动机冷却系统的传热特性，以及纳米流体的制备等。总之，现阶段对于发动机冷却系统的研究思路主要有：

1. 只对发动机的冷却水套进行研究，思路上采用简单的第1类边界条件对水套不同边界进行定义；
2. 采用顺序耦合的方法对整机进行研究；
3. 采用整体耦合的方法进行研究，但研究过程中进行的大量的简化操作，一般只是对单缸、缸盖、缸体的部分进行模拟研究。

1.3研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1.3.1 基本内容与目标

1.以某类型的发动机冷却系统作为模拟实验的研究对象，对发动机的缸体和缸盖水套结构进行了三维建模，并对模型进行简化处理、网格划分和网格类型分类；