李丹丹，杨振中，张威，张孚，孙永生

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体对氢内燃机散热的影响规律研究

李丹丹，杨振中，张威，张孚，孙永生

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

针对氢内燃机机体热负荷高的问题，通过AVL FIRE数值模拟研究了不同氧化铝粒子体积浓度下，氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体对氢内燃机散热的影响规律。结果表明：在进口质流量、进口温度、出口静压一定的情况下，随着氧化铝体积分数的增大，纳米流体的整体冷却性能减弱；加入氧化铝纳米粒子后高温区的热流率都比基液的热流率大，在氧化铝纳米粒子体积分数为1%时，对氢内燃机的高温区的冷却效果最好。

氧化铝；纳米流体；氢内燃机；数值模拟；散热性能

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-50-03

引言

虽然氢内燃机的优势已非常明显，但氢内燃机目前也面临一些技术性的挑战：早燃、回火、采用外部混合方式功率低、NOx 排量高等。高效稳定的冷却液对进一步提高氢内燃机的工作性能，响应全球节能、减排的迫切需求，具有不可忽视的意义。

氧化铝具有较高的热导率并且与基液有良好的相容性，同时成本较低，是较为为理想的纳米添加颗粒[1]。Pak和Cho[2]率先于1998年进行了氧化铝和二氧化钛水基纳米流体在不锈钢细圆管内的对流换热实验。Lai等人[3]选用了直径仅为1mm的不锈钢圆管进行了氧化铝水纳米流体对流换热实验。Jung等人[4]指出在所研究的正方形微通道中氧化铝水纳米流体的对流换热系数提高了32%。Ollivier[5]等人将氧化铝水纳米流体用于检测汽油发动机发生爆震时的温度波动信号。Vasu[6]等人则用换热器效能-换热单元数法（ε-NTU）对氧化铝-水纳米流体在紧凑式热交换器模型中进行了传热性能计算。

文章通过AVL FIRE数值模拟的方法探索氧化铝粒子的体积浓度分别为0%、1%、2%、5%、7%时，氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体对氢内燃机散热的影响规律。进一步探明纳米流体强化传热现象，为内燃机节能工作探索了新途径。

表1 氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体物性参数

1、氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体的热物性

在本文的研究中，基础液体为乙二醇与水的混合液体，其中乙二醇的体积分数φ为10% ，氧化铝的体积分数分别取氧化铝粒子的体积浓度分别为0%、1%、2%、5%、7%，并假设氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体为不可压缩流体。表1中给出了对应条件下，363K（90℃）温度时，氧化铝乙二醇和水混合基纳米流体热物性参数的值。

2、仿真计算模型

2.1 物理模型

本文采用的氢内燃机冷却水套模型是一个简化的单缸四气门59kW柴油机改造的氢发动机的冷却水套表面模型，在Solidworks中建成后以*.stl的格式输出并导入AVL FIRE，利用AVL FIRE中的网格自动生成模块生成体网格如图1所示。

图1 氢内燃机冷却水套的体网格模型

该体网格(a)共有811861个cell，网格质量较好。在生成体网格前共划分了23个区域，基于缸盖区域温度较高且结构复杂，以及考虑到求解器设置时边界条件的设置需要，就在缸盖内表面建立了对应于各个火力面的selectiion，共16个，见图(b)。

2.2 初边值条件

冷却水进口流体的温度：90℃（36 3K）；进口流量：2.0 kg/s。出口压力：0.1Mpa；在除进、出口以外，本文建立的其他selections在设定边界条件中都采用了第三类边界条件（对流换热边界条件）。并且将第三类边界条件中的热阻设为0。

表2 水腔整体温度场、速度场、压力场参数

图2 水腔进出口温度与水腔热流量随氧化铝纳米粒子体积分数的变化

2.3 热流量与热流率定义

水腔整体热流量计算公式：

式中，Q为热流量，J/s；CP为纳米流体的热容，J/(Kg·K)；qm为质流量，Kg/s；△T为进出口平均温差，K。

高温区热流率计算公式：

式中，Q0为热流率，J/(m2·s) ；V为高温区流体的平均流速，m/s；ρ为流体的密度，Kg/m3。

3、结果分析

3.1 不同氧化铝体积分数下水腔整体计算结果分析

表2中可以看出，水腔整体平均温度随着氧化铝体积分数的增大而升高，平均速度和平均压力则逐渐减小。主要原因：随着氧化铝体积浓度的增加，纳米流体的密度增大，而进口质流量不变使得纳米流体的速度减小；比热容逐渐减小，热导率逐渐增大，而纳米流体的速度又逐渐减小，使得纳米流体的温度升高；粘度逐渐增大，使其流动阻力逐渐增大，压力损耗增大，而纳米流体速度减小又使得纳米流体的流动阻力减小，压力损耗减小，再加上出口静压不变，在后一因素影响较大的情况下，纳米流体的平均压力呈现减小的趋势。

从图2中可以看出，随着氧化铝纳米粒子体积分数的增大水腔进出口温差逐渐增大，而进口温度为363K，保持不变，所以出口温度逐渐升高；同时水腔整体的热流量逐渐减小；从整体冷却性能来看，在进口质流量和进口温度一定的情况下，随着氧化铝体积分数的增大，纳米流体的整体冷却性能减弱。在氧化铝体积分数为7%时，纳米流体的热流量相比基液减少了2.4%。

3.2 不同氧化铝体积分数下水腔高温区计算结果分析

表3 水腔近排气管道壁面平均温度、平均速度以及热流率对比

表3中显示，高温区平均温度随氧化铝纳米颗粒的体积分数的增大而升高；平均速度速度随之减小；氧化铝的体积分数在0%～1%时，热流率随氧化铝纳米粒子的体积分数的增加而增加，而当氧化铝的体积分数在1%以上是有体现减小的趋势；加入氧化铝纳米粒子后高温区的热流率都比基液的热流率大，在氧化铝纳米粒子体积分数为1%时，高温区的热流率相比基液提高了9.33% ；氧化铝纳米粒子的体积分数在1%左右时对氢内燃机的高温区的冷却效果最好。

4、结论

(1) 水腔整体平均温度随着氧化铝体积分数的增大而升高，平均速度和平均压力则逐渐减小。从整体冷却性能来看，在进口质流量和进口温度一定的情况下，随着氧化铝体积分数的增大，纳米流体的整体冷却性能减弱。在氧化铝体积分数为7%时，纳米流体的热流量相比基液减少了2.4%。

(2) 高温区平均温度随氧化铝纳米颗粒的体积分数的增大而升高；平均速度速度随之减小；加入氧化铝纳米粒子后高温区的热流率都比基液的热流率大；氧化铝纳米粒子的体积分数在1%左右时对氢内燃机的高温区的冷却效果最好。

[1] 钟勋.氧化铝纳米流体在发动机油冷器中的强化传热研究[D].浙江:浙江大学,2010.

[2] Pak B C, Cho YI. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submic-ron metallic oxide particle [J].Experimental Heat Transfer,1998,11: 151-170.

[3] Lai W Y, Duculescu B, Phelan P E, et al. Convective heat transfer with nanofluids in a single 1.02mm tube[C].Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congre-ss and Exposition (IMECE 2006), Chicago, USA, 2006.

[4] Jung J Y, Oh H S, Kwak H Y. Forced con-vective heat transfer of nannofluid in microch-annels[C]. Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Expo-sition(IMECE 2006), Chicago, USA, 2006.

[5] Ollivier E, Bellettre J, Tazerout M, et al. Detection of knock occurrence in a gas SI engine from a heat transfer analysis[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47:879-893.

[6] Vasu V, Krishna K R, Kumar A C S. Ther-mal design analysis of compact heat exchan-ger using nanofluids[J]. International Journal of Nanomanufacturing, 2008, 2(3): 271-288.

Study on the Influence of Alumina-Ethylene Glycol-Water Nanofluid on the Cooling of HICE

Li Dandan, Yang Zhenzhong, Zhang Wei, Zhang Fu, Sun Yongsheng
( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

A Aiming at the problem of high heat load of HICE. This paper mainly to research the impact on the cooling of HICE when the alumina-ethylene glycol-water nanofluid was under different alumina volume fractions. Results show that when the mass flow of inlet, the inlet temperature and the outlet static pressure is certain, the cooling performance of the nanofluids is overall weakened as the volume fraction of the alumina increases. After adding alumina nanoparticles, the heat flux in high temperature regions is larger than the base fluid. When the volume fraction of alumina nanoparticles is about 1%, the hydrogen internal combustion engine cooling effect in high temperature regions is the best.

aluminum oxide; nanofluid; hydrogen internal combustion engine; numerical simulation; cooling capability

U464

A

A1671-7988(2017)01-50-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.019

李丹丹（1989-），女，硕士研究生；读于华北水利水电大学。主要从事清洁能源车用发动机燃烧与排放优化设计的研究。