往复振荡对活塞冷却油腔内纳米流体传热及流动特性的影响

张 亮，白敏丽

(1.燕山大学 车辆与能源学院，秦皇岛 066004； 2.大连理工大学 能源与动力学院，大连 116024)

往复振荡对活塞冷却油腔内纳米流体传热及流动特性的影响

张 亮1，白敏丽2

(1.燕山大学 车辆与能源学院，秦皇岛 066004； 2.大连理工大学 能源与动力学院，大连 116024)

内燃机工作过程中，燃烧产生的部分热能传给活塞。当活塞功率密度超过0.3 kW/cm2时，必须采用冷却油腔进行冷却。为揭示纳米流体在冷却油腔内的传热及流动特性，对不同种类纳米流体在随活塞冷却油腔同步往复振荡状态下的传热和流动特性进行了对流换热和可视化实验。研究发现：最优传热充液率为53.4%；往复振荡频率、颗粒的水力半径与活塞冷却油腔内的对流换热系数成正比；转子转动角度在180°～270°范围时，工作流体混合效果最佳；纳米流体的流动紊乱度在整个往复振荡周期内均好于纯净水。

往复振荡；充液率；传热；纳米流体

燃料在内燃机中通过燃烧方式将其化学能转化为热能，部分热能用于内燃机有效功的输出和以燃烧废气的形式直接被排放掉，还有部分热能传给燃烧室部件。传给燃烧室部件热量中的一半以上传给活塞[1]。如果传给活塞的温度不能及时被带走，将直接导致活塞热变形，材料强度急剧下降，甚至发生烧蚀、烧熔等。同时，燃烧产生的高温热流还会引起活塞环组-气缸套间润滑油膜的结焦，使活塞与气缸套间的磨损加剧，内燃机工作稳定性变差。因此，为了保证发动机的安全性，必须合理组织好活塞的冷却，以保证其热疲劳应力处于安全范围内。

当活塞功率密度超过0.3 kW/cm2，或缸径较大时，采用底部喷射冷却也将达不到活塞的冷却要求，此时必须采用带冷却油腔的活塞[2]。而随着内燃机负荷的增大，必须采用带较大冷却油腔的活塞，才能确保活塞的安全运行。但增大活塞内冷却油腔的空间，必然对活塞强度造成致命影响，特别是随着内燃机热负荷的不断提高，仅仅依靠改进油腔结构也将不能满足一些特殊工况下活塞的散热要求。因此，考虑到利用传热性能好的工质代替传统工质来强化活塞的传热。

20世纪90年代，纳米流体概念的提出并成功应用于强化传热领域[3-4]，恰好满足活塞的散热需求。CHOI认为，将传统工质换成纳米流体，可显著提高活塞的换热效率，同时可以减小活塞的重量和尺寸，降低运行成本，具有许多潜在的优势。

LIN等[5]研究了银纳米流体的充液率和浓度对脉动热管传热特性的影响，结果显示，充液率和浓度分别为60%、100 ppm时传热效率最高。KANG等[6]对银纳米流体在211 μm ×217 μm沟槽热管中的热特性进行了实验研究，发现当输入功率在30～60 W范围内时，与去离子水相比纳米流体的热阻降低10%～80%。LAI等[7]在直径为1.02 mm的不锈钢管内研究了氧化铝纳米流体的对流换热特性，结果显示，强化系数和对流换热系数均随流量和纳米粒子体积分数的增大而增加；局部强化系数与距入口段距离成正比；随纳米粒子体积分数的增大，热入口长度增加。MOSAVIAN等[8]在层流状态下对添加不同种类的纳米颗粒的纳米流体的传热特性进行了研究，结果显示，纳米流体的浓度越大，强化传热的效果越好；纳米流体中的纳米颗粒的种类不同，最优强化浓度也将发生变化。HUMINIC等[9]研究了两相热封闭虹吸管的传热特性，结果显示，纳米流体在虹吸管中的质量传递系数均高于水。HE等[10]在直管中研究了纳米流体的传热特性，研究发现，纳米流体的非牛顿特性对整体强化有重要影响。

前人对机械振动带动换热腔振动强化传热方面已经做出了大量研究，LEMLICH[11]研究了振动对自然对流换热的影响，发现强化传热效果与振幅和振动频率成正比，但振动方向对传热系数的影响不大。后来LEMLICH等[12]对水和甘油在振动频率17～37 Hz、振幅2.62 cm的条件下，卧式汽缸内的传热特性进行了研究，同样发现传热系数正比于振幅和振动频率，在较高频率和较大振幅下，增幅超过十倍。DAWOOD等[13]在静止空气中研究了振动状态下卧式汽缸外表面的对流换热，结果显示，振幅与缸径的比值超过0.5时，振动频率与换热系数间的关系整体呈线性趋势。EESA等[14]模拟了振动状态下牛顿和非牛顿流体的径向温度和边界层，结果显示，振动可以引起流体的径向混合并使径向温度更加均匀，同时使热入口段长度变小。KATINA等[15-18]在振幅为0～0.9 mm，频率为0～120 Hz条件下，研究了水在直径为6.8～30 mm直壁圆管中的强化传热特性，研究发现，在该实验条件下最优传热强化达到30%，而在在振幅(0～40 mm)，频率(0.4～1.2 Hz)和管径(17～23 mm)条件下，最优传热强化可达到60%[19-20]。

已有的研究集中在腔内充满工作流体方面的强化传热，充液率的影响仅在无振动且两端封闭的管腔内有少量的研究，但随活塞往复振荡下冷却油腔内的强化传热还很少见，更鲜见纳米流体在这方面的研究。故开展水和纳米流体随活塞往复振荡下圆管内传热及流动特性的研究，来模拟内燃机冷却油腔内的传热及流动特性。

1 实验设备与实验方法

1.1 工作流体物性参数测量系统

由于所用纳米流体是一种新型工质，其物性参数需进行测量。图1为物性参数测量设备。纳米颗粒的粒径用透射电镜来测量，纳米颗粒的分散性用“上超”牌超声波处理器(图1(a))的超声振动来保证，纳米流体的粘度用美国生产的Brookfeild DV-Ⅱ+P CP旋转粘度计(图1(b))来测定，导热系数的测量选用西安夏溪电子科技有限公司生产的导热系数仪(图1(c))。

(a) 超声波处理器

(b) 旋转黏度计

(c) 导热系数仪

图1 物性参数测量设备

Fig.1 Measurement apparatus for physical parameters

1.2 活塞冷却油腔传热特性测量系统

根据需要搭建了活塞同步往复振荡传热特性实验台，整个实验系统主要由实验段、可调频活塞同步往复振荡台、功率记录仪、热交换器、离心泵、流量计储水箱等组成，如图2所示。整个系统的循环动力由离心泵提供，循环系统中流体流量用流量计控制；在流体进入测试段之前，往复振荡台对测试段施加垂直于流动方向的往复振荡，往复振荡的动力由调频电机施加；工作流体的温度由恒温热交换器控制在25 ℃。

1.离心泵； 2.节流阀； 3.转子流量计； 4.测试段； 5.离心泵； 6.换热器； 7.水箱； 8.功率控制器； 9.计算机； 10.恒热流加热系统； 11.热流计； 12 热电偶； 13.支撑板； 14.引导块； 15.气缸； 16.活塞； 17.调频器； 18.电机； 19.放气阀

图2 对流换热实验系统示意图
Fig.2 Schematic diagram of experimental system for convective heat transfer

测试系统的测试段由紫铜管自制而成，测试段长830 mm、外径18 mm、壁厚为1 mm。加热丝均匀缠绕于管外表面给管内工作流体加热，加热功率大小用调压器来控制。将云母片置于管外表面与加热丝之间来确保加热均匀，同时防止电阻丝与紫铜管间产生电流。为降低测试段输入热量的散失，从加热丝外面由内向外依次裹上云母片、石棉绝热材料、泡沫发泡剂作为保温层。为消除入口效应的影响，加热段前设有100 cm的铜管作为入口稳定段。管内壁的温度用实验室自制直径为0.2 mm的T分度热电偶测量，测温点埋在距离管内壁面0.1 mm位置。十对热电偶沿管的轴线方向等距离(9 mm)安装，其中两对热电偶分别布置于测试段的入口和出口端，用来测量实验段的进出口温度。整个测试段的测点温度汇集于温度采集系统，并用计算机同步存储。充液率的测量是将管调节至水平后，用游标卡尺测量水平出口的液面高度H(图3所示)，从而求出圆管内工作流体的充液率。

R=8 mm；L=830 mm

充液率的测量如下：

(1)

恒热流加热后，实验段的进出口出现温差，实验段加热平均(换热功率)热流量Q为

Q=qmcp(tout-tin)

(2)

式中:实验段内工作流体的平均质量流量qm=ρqv;ρ为工作流体的密度;qv为工作流体的体积流量;cp为工作流体的比热容。tin，tout分别为工作流体在实验段的进出口温度。

由牛顿冷却公式可以得出工作流体在管内流动时的平均对流换热系数h:

(3)

式中:A为实验段铜管内表面积;tw为实验段管壁平均温度;tf为实验段内工作流体的平均温度。

1.3 活塞冷却油腔内流体流动的可视化系统

为观测往复振荡状态下纳米流体与基础流体流动特性的差异，搭建了纳米流体流动可视化实验系统。可视化系统是将往复振荡传热实验系统中的实验段换成透明有机玻璃管。有机玻璃管长2 m，内径40 mm。该实验主要考察垂直于流动方向往复振荡对管内流体流动形态的影响。实验段在调频电机的作用下随活塞做同步往复振荡。

1.实验段； 2.片光源； 3.辅助光源； 4.高速摄影相机头； 5.处理器； 6.远程控制面板与软件； 7.遮光板； 8.入射缝

图4 往复振荡可视化采集系统

Fig.1 Flow visualization system of reciprocating motion

图5 Fastcam Ultima APX型高速摄影机Fig.5 Fastcam Ultima APX model speed camera

整个可视化系统如图4所示。实验中使用配备光增强管的Fastcam Ultima APX型高速摄影机(图5)，整套系统包括相机头、处理器、远程控制面板和控制软件。高速摄影机的拍摄频率为50～20 000 z/s，最高分辨率为1 024×1 024。为了清晰观测管内流体的流动情况，光源的选择与布置十分重要，本实验配备了三个光源，其中一个片光源从纵切面摄入，两个辅助光源从两侧摄入。实验前需对拍摄频率和图像分辨率进行设定，拍摄频率取1 000～2 000 z/s，分辨率取1 024×1 024。

往复振荡的转速用转速计测量。以下止点为初始点，圆管往复振荡速度v：

v=2πfrsin(2πft)

(4)

式中:f为频率;r(65 mm)为内燃机曲轴半径。

加速度a为

a=v′=4π2f2rcosθ

(5)

式中，θ为曲轴与竖直向下方向的夹角，称之为转动角度。

工作流体的最大惯性力F为

F=ρvamax

(6)

式中:ρ为密度；v为体积；amax为最大加速度。

竖直向上最大惯性力与重力的合力为

F合=ρv4π2f2r-ρvg

(7)

式中，g为重力加速度。

2 结果和讨论

2.1 工作流体的输运参数

2.1.1 纳米粒径粒径大小及其分散性

用超声振动的方式，使所配置SiO2-water和 Al2O3-water纳米流体中的纳米颗粒均匀分布于基液中。纳米颗粒的透射电镜图像如图6所示，氧化硅的粒径形状为圆形，平均粒径约为30 nm，Al2O3整体为棒状结构，直径约为5 nm，棒长约为50 nm。同时发现纳米颗粒均匀度和分散性均较好，故所配置纳米流体可作为循环系统中的工作流体。

SiO2-water纳米颗粒

Al2O3-water纳米颗粒

2.1.2 纳米流体的导热系数

在整个实验中选用纯净水和体积分数均为2%的SiO2-water纳米流体和 Al2O3-water纳米流体作为工作流体。通过图7可以看出，随着温度的增加，纳米流体和水的导热系数逐渐增加；与基液水相比，SiO2-water 纳米流体和Al2O3-water纳米流体的导热系数均有大幅增加，在低温范围内(T<30 ℃)，纳米溶液的导热系数差别不大，均比水增加2.6%，但在高温范围内(T>30 ℃)，SiO2-water纳米流体和Al2O3-water纳米流体的导热系数较水分别增加6.3%和3.8%。

图7 纳米流体导热系数k随温度T的变化Fig.7 Thermal conductivity of nanofluids changed by temperature

2.2 往复振荡下管内工作流体的传热特性

从图8很容易看出管内最佳传热充液率不随换热工质的改变而改变，均为53.4%，偏离最佳充液率越大，对流换热系数越低；在充液率低于50%时，随着充液率的增加对流换热系数逐渐增加，50%～70%范围内迅速下降，当充液率超过70%时对流换热系数基本无变化。将往复振荡频率从2.55 Hz提高至3.65 Hz，对流换热系数整体提高9.5%；在3.65 Hz条件下，将纯净水换成SiO2-water纳米流体，对流换热系数再次提高8%，即采用高导热系数的工作流体与提高往复振荡频率均可强化传热。这是由于施加往复振荡后，纳米颗粒在径向受到与往复振荡频率成正比的惯性力作用，不断对边界进行冲击，颗粒反弹后对边界层产生二次扰动，从而充分发挥了纳米颗粒减薄边界层的优势。

图8 充液率对对流换热系数的影响Fig.8 Effect of filling ratio on the convective heat transfer coefficient

在3.65 Hz条件下，将工作流体换成棒状(5 nm×50 nm)的Al2O3-water纳米流体后，对流换热系数较纯净水增加12.8%，这说明Al2O3-water纳米流体的传热强化效果要优于SiO2-water纳米流体，这是由于棒状氧化铝纳米颗粒在往复振荡条件下的水力半径要大于球状氧化硅纳米颗粒，其在基液内的平移和旋转使得的粒子与液体、粒子与壁面的热量传递增强，加剧了换热边界层的扰动造成的。故用纳米流体代替传统流体，会大大改善活塞内冷却油腔内的传热效果。

2.3 往复振荡下管内工作流体的流动可视化

2.3.1 转子的转动角度对管内流体流动特性的影响

可视化实验在以下条件下进行：工作流体采用纯净水，系统温度控制为25 ℃，充液率范围20%～80%，往复振荡频率范围0～400 r/min，曲柄连杆机构转角范围0°～360°(下止点为0°，上止点为180°)，图像在中心对称位置捕捉，捕捉长度为120 mm，这样可以基本消除纵向边界的影响。

以充液率为53.4%，往复振荡频率为380 r/min为例来分析转动角度对管内流动的影响。从图9中可以看出，从0°～90°之间液面与管上壁面基本无接触，所有工作流体集中于管的下部，这是由于管重力加速度方向竖直向下，使得整个流体处于超重状态造成的。在90°～180°之间液面波动幅度较大，但是在整个过程所有工作流体还是集中于管的下部，这是由于竖直向上的惯性力无法克服重力，但惯性力从90°～180°之间是逐渐增加的，当转动角度接近180°时，实验段运动速度几乎为零，竖直向上的惯性力达到最大值，在较高转速下惯性力克服重力后对上壁面出现冲击。从180°到270°之间，由于惯性作用冲击后的工作流体与还未来得及冲上上壁面的工作流体间出现二次冲击，二次冲击后湍流度急剧增强；在270°附近，二次冲击后的工作流体与下壁面进行冲击并反弹，此时工作流体由于反弹分解成无数的液核，杂乱的冲击着管壁的四周，该时刻活塞的冷却效果较好。在270°～360°的范围内，重力与惯性力均竖直向下，按受力分析此时工作流体应像0°～90°状态相同，集中于管的下部，但是在该范围内，工作流体由于惯性作用，绝大多数时间出现液核冲击管壁的情况，直至转角接近360°，工作流体在重力和惯性力共同作用下被压制在管道底部，继而开始下一个周期往复振荡。将一个振荡周期四等分比较来看，混合效果的由好到坏依次为：180°～270°、270°～360°、90°～180°、0°～90°。

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

360°

2.3.2 往复振荡频率对管内流动的影响

在充液率为53.4%，转子的转动频率0～400 r/min的范围内来研究往复振荡频率对管内流动特性的影响。由式(7)计算可知，往复振荡频率为50 r/min时，惯性力与重力的合力始终竖直向下，即惯性力在整个运动过程中没有克服重力，在该往复振荡频率下，整个运动过程液面保持恒定，如图10所示；在往复振荡频率为150 r/min时，管内流场如图11所示，最大惯性力已经超过重力，液面开始出现较大波动并在上止点附近冲击上壁面，由于此时的合力较小，冲击后的破碎程度较小，形成的细小液核较少；同理与380 r/min在上止点位置相比(图9)，380 r/min在上止点与上壁面的冲击强度更大，形成的液核更加破碎，此时的边界层破坏更为严重。在整个循环周期内流动紊乱度随往复振荡频率的增加而增大，即往复振荡频率越大，紊乱度越强，传热效果越好。

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

360°

图10 充液率为53.4%，往复振荡频率为50 r/min时的可视化照片
Fig.10 Flow visualization at filling ratio 53.4%, vibration frequency 50 r/min

2.3.3 充液率对管内流型的影响

由于经式(7)计算可知，当转速为120 r/min时，在上止点处工作流体所受惯性力与重力的合力为零，故在该转速下液面波动最为敏感，故选取上止点来分析充液率对管内流型的影响，上止点流型分析结果如图12所示。

从图12中可以看出，在低充液率下，由于工作流体整体质量较小，受惯性力作用后变化比较明显，液面波动比高充液率明显，但是气液界面离上壁面距离较大，与上壁面不容易接触；在高充液率下，工作流体质量较大，惯性力对其作用后液面波动较小，由于其气液界面与上壁面相对距离较小，故气液界面在小波动下也与上壁面有少量接触并发生冲击；对活塞冷却的有利因素为：气液界面出现强烈波动与混合和工作流体与上壁面出现强烈冲击，这样就应该在较小充液率-有利于波动和较大充液率-有利于与上壁面发生冲击之间有一个最优调节，既不是充液率越大越好，也不是充液率越小越好，活塞的最优传热应该在中等充液率下，这与不同充液率下的热量传递结果一致。

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

360°

图11 充液率为53.4%，往复振荡频率为150 r/min时的可视化照片
Fig.11 Flow visualization at filling ratio 53.4%, vibration frequency 150 r/min

20.3

33.4

43.4

53.4

64.8

73.4

Fig.12 Flow visualization at top dead center for vibration frequency 120 r/min

2.3.4 纳米颗粒对管内流型的影响

为了使得纯净水和纳米流体在相同操作条件下的流型对比具有同步性，将实验段(长2 m，内径40 mm)中间用隔板沿竖直方向隔开，将相同充液率的纯净水和SiO2-water纳米流体分别放在实验段的两侧，再将实验段固定在往复振荡实验台上进行随活塞的同步往复振荡，为基本消除外侧边界对流动的影响，纯净水与纳米流体可视化图像的捕捉长度均为42 mm。

在转速为400 r/min、充液率为53.4%时，不同转动角度下的可视化结果如图13所示，从图中可以明显看出纳米流体在不同转动角度下的流动紊乱度均好于纯净水：在0°～90°范围内，纳米流体的液面活跃度明显高于纯净水，纳米流体液面与空气交界面和纯净水与空气的交界面相比位置整体上移，由于纳米颗粒的微运动，纳米流体在交界面出现大量细小液核，在转动角度为90°时最为明显；在90°～180°范围内，流体的液面开始向上运动并与上壁面接触，在135°时，纳米流与空气的交界面上移量较大，同时主液中甩出大量液核，被甩出的液核开始与上壁面有微量接触，当实验段继续运行到达上止点(180°)时，纯净水与纳米流体由于惯性力的作用均与上壁面出现大面积接触，但纳米流体的接触面积要大于纯净水；从上止点向下运行至270°范围内，纳米颗粒剧烈微运动使得纳米流体几乎布满整个纵截面，并与上下壁面均匀接触，接触面积几乎达到100%，而纯净水在此范围内并没有布满整个纵截面，与上下壁面出现大量的非接触区域；在270°～360°范围内液面由于惯性力与重力合力的作用，液面整体回落，在回落过程中纳米流体的液面紊乱度均强于纯净水。

0°

180°

45°

225°

90°

270°

135°

315°

图13 充液率为53.4%，往复振荡频率为400 r/min时的可视化照片
Fig.13 Flow visualization at filling ratio 53.4%, vibration frequency 400 r/min

综合以上可视化的结果可知，由于纳米颗粒的微运动，纳米流体在往复振荡条件下的流动紊乱度均强于纯净水，故纳米流体在实际应用中可用于加速活塞冷却。

3 结 论

搭建了内燃机活塞冷却油腔对流换热和高速摄影的可视化测试系统，通过热量传递和可视化实验，研究了纳米流体的传热和流动特性。基于以上讨论结果得出如下结论：

(1) 纳米流体的导热系数与温度成正比，纳米流体种类对导热系数的影响显著。

(2) 最优传热充液率为53.4%，偏离最佳充液率越大，换热功率就越低；添加纳米颗粒和增加往复振荡频率均可以强化活塞冷却油腔内的对流换热系数；水力半径大的棒状纳米颗粒的强化传热效果要好于水力半径小的球状纳米颗粒。

(3) 转子转动角度、往复振荡频率、充液率、纳米颗粒均对活塞冷却油腔内流体的流动特性有很大影响；纳米流体中纳米颗粒充分发挥了扰动基础流体的优势，纳米流体的流动紊乱度在整个往复振荡周期内均好于纯净水，故纳米流体在实际应用中可用于加速活塞冷却。

[1] 陈国华，毛键华，袁兰琴.内燃机的传热研究(Ⅰ)[J].车用发动机, 1992(2): 10-16.

CHEN Guohua, MAO Jianhua, YUAN Lianqin.Review on study of heat transfer in engines (Ι)[J].Vehicle Engine, 1992(2): 10-16.

[2] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999, 6:313-318.

[3] CHOI U S．Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles[J].App1.Phys, 1995, 66:99-103.

[4] EASTMAN J A, CHOI U S, LI S, et al.Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids[J].Materials Research Society, 1997, 457: 3-12.

[5] LIN Y H, KANG S W, CHEN H L.Effect of silver nano-fluid on pulsating heat pipe thermal performance[J].Applied Thermal Engineering, 2008(28):1312-1317.

[6] KANG S W, WEI W C, TSAI S H, et al.Experimental investigation of silver nano-fluid on heat pipe thermal performance[J].Applied Thermal Engineering, 2006 (26):2377-2382.

[7] LAI W Y, PHELAN P E, VINOD S, et al.Convective heat transfer for water-based alumina nanofluids in a single 1.02-mm tube[C]∥Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 2008:970-978.

[8] MOSAVIAN M T H, HERIS S Z, ETEMAD S G, et al.Heat transfer enhancement by application of nano-powder[J].Journal of Nanoparticle Research, 2010, 12(7): 2611-2619.

[9] HUMINIC G, HUMINIC A.Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphons using nanofluids[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, 35(3): 550-557.

[10] HE Y, MEN Y, LIU X, et al.Study on forced convective heat transfer of non-Newtonian nanofluids[J].Journal of Thermal Science, 2009, 18(1): 20-26.

[11] LEMLICH R.Effect of vibration on natural convective heat transfer[J].Industrial & Engineering Chemistry, 1955, 47(6): 1175-1180.

[12] LEMLICH R, RAO M A.The effect of transverse vibration on free convection from a horizontal cylinder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 1965, 8(1): 27-33.

[13] DAWOOD A S, MANOCHAa B, ALI S M J.The effect of vertical vibrations on natural convection heat transfer from a horizontal cylinder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 1981, 24(3): 491-496.

[14] EESA M, BARIGOU M.Enhancing radial temperature uniformity and boundary layer development in viscous Newtonian and non-Newtonian flow by transverse oscillations: A CFD study[J].Chemical Engineering Science, 2010, 65(6): 2199-2212.

[15] KATINAS V I, MARKERICIUS A A, ZUKAUSKAS A A.Heat transfer behavior of vibrating tubes operating in cross flow 1[J].Heat Transfer-Soviet Research, 1986, 18 (2):1-9.

[16] KATINAS V I, MARKERICIUS A A, ZUKAUSKAS A A.Heat transfer behavior of vibrating tubes operating in cross flow 2[J].Heat Transfer-Soviet Research, 1986, 18 (2):10-17.

[17] LEE Y H, KIM D H, CHANG S H.An experimental investigation on the critical heat flux enhancement by mechanical vibration in vertical round tube[J].Nuclear Engineering and Design, 2004, 229 (1):47-58.

[18] KLACZAK A.Report from experiments on heat transfer by forced vibrations of exchangers[J].Heat and Mass Transfer, 1997, 32 (6): 477-480.

[19] SAXENA U C, LAIRD A D K.Heat transfer from a cylinder oscillating in a cross-flow[J].Journal of Heat Transfer, 1978, 100:684-689.

[20] TAKAHASHI K, ENDOH K.A new correlation method for the effect of vibration on forced-convection heat transfer[J].Journal of Chemical Engineering of Japan, 1990, 23 (1): 45-50.

Heat transfer and flow characteristics of nanofluid at a cooling chamber of a piston under reciprocating vibration

ZHANG Liang1, BAI Minli2

(1.College of Vehicles and Energy, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.College of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Part of heat energy produced by burning oil is transferred to the piston in a combustion engine.When the power density of the piston exceeds 0.3 kW/cm2, the piston must be cooled with a cooling chamber.In order to reveal heat transfer and flow characteristics of nanofluid in the cooling chamber, heat transfer and visualization tests with different types of nanofluid were performed in a straight circular pipe under reciprocating vibration.The test results showed that the optimal filling rate for heat transfer is 53.4%; the frequency of reciprocating vibration and the hydraulic radius of particles are all proportional to the convection heat transfer coefficient of the cooling chamber; the fluid mixure effect is the best when the rotation angle of rotor is with in 180° to 270°; the flowing disord level of nanofluid is better than that of pure water in a reciprocating vibration cycle.

reciprocating vibration; filling rate; heat transfer; nanofluids

河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN2015227)；燕山大学博士基金项目(B898)；河北省自然科学基金青年科学基金(E2016203371)

2015-11-20 修改稿收到日期：2016-02-20

张亮 男，博士，讲师，1983年9月生

白敏丽 女，博士，教授，1962年7月生

O353.4；TB69

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.05.031