مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی پدیده جوشش در بهبود خنک‌کاری سرسیلندر موتور دیزل سنگین با سوخت گاز طبیعی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
مسیب قلی‌نیا 1
محسن پورفلاح 2
حمیدرضا چمنی 3
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، بابل، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
انتقال حرارت در دیواره‎ها نقش بسزایی در تخمین صحیح توزیع دما به‌منظور بررسی تنش‎های حرارتی و خستگی کم چرخه در بستار موتور دیزل دارد. از این رو لازم است که در طراحی و شبیه‌سازی دقیق راهگاه خنک‎کاری جزییات جریان و انتقال حرارت در محدوده وسیعی از کارکرد موتور بررسی شود. یک رویکرد کارآمد برای مطالعه سامانه خنک‌کاری، شبیه‎سازی آن با کمک دینامیک سیالات محاسباتی به شکل سه‌‌بُعدی با حل همزمان سازه و سیال است که منجر به پیش‌بینی دقیق دمای دیواره و شار حرارت می‌شود. در این مقاله توزیع ضرایب انتقال حرارت جابه‌جایی در راهگاه خنک‎کاری یک موتور دیزل سنگین ۱۶ استوانه با روش دینامیک سیالات محاسباتی سه‌‌بُعدی با استفاده از نرم‌افزار انسیس‌فلوئنت محاسبه شده است. همچنین حل معادلات پدیده جوشش مادون سرد براساس دو الگوی رایج چن و بی‌دی‌ال انجام شده است و تاثیر شاخص‌های سرعت، دما و فشار سیال در زمان وقوع پدیده جوشش بر انتقال حرارت دیواره راهگاه خنک‌کاری مطالعه شده است. نتایج نشان می‎دهد که بهترین حالت برای راهگاه خنک‎کاری زمانی است که در نقاط بحرانی حرارتی، سیال خنک‎کننده به سرعتی برسد که جوشش هسته‌ای مادون سرد رخ دهد.
کلیدواژه‌ها
موتور دیزل سنگین
راهگاه خنک‎کاری
شبیه‎سازی عددی
انتقال حرارت
جوشش مادون سرد

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Boiling Phenomenon in Improving the Cooling of a Heavy-Duty Diesel Engine with Natural Gas

نویسندگان English

M. Gholinia 1
M. Pourfallah 2
H.R. Chamani 3
1 Mechanical Engineering Department, Mechanical Faculty, Babol Noushirvani University of Technology, Babol, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Mazandaran University of Science & Technology, Babol, Iran
3 Mechanical Engineering Department, Mechanical Engineering School, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The heat transfer from walls has a significant role in the correct estimation of temperature distribution in order to investigate the thermal stresses and low cycle fatigue in the engine liner. Therefore, it is necessary to investigate the details of the flow and heat transfer over a wide range of engine operation in the design and exact simulation of the cooling jacket. An efficient approach to study the cooling system is to simulate using Computational Fluid Dynamics (CFD) as a three-dimensional model by simultaneously solving the structure and fluid, which leads to accurate prediction of wall temperature and heat flux. In the present paper, the distribution of heat transfer coefficients (HTC) in the cooling jacket of a 16-cylinder heavy-duty diesel engine has been calculated, using ANSYS/Fluent based on 3D-CFD method. Also, equations of subcooled boiling phenomenon have been solved based on two commonly used patterns of Chen and BDL, and the effects of fluid pressure, velocity, and temperature at the time of the phenomenon of boiling on the heat transfer of cooling jacket wall have been studied. The results indicate that the best condition for a cooling jacket is when the coolant flow in critical heat points reaches to a velocity so that subcooled nucleate boiling occurs.

کلیدواژه‌ها English

Heavy Duty Diesel Engine
Cooling Jacket
Numerical simulation
Heat Transfer
Subcooled Nucleate Boiling
Norris PM, Wepfer W, Hoag KL, Courtine-White D. Experimental and analytical studies of cylinder head cooling, 931122. SAE Technical Paper. Vehicle Thermal Management Systems Conference, Georgia. Warrendale: SAE Technical Paper; 1993. [Link]
Punekar H, Das S. Numerical simulation of subcooled nucleate boiling in cooling jacket of IC engine. SAE 2013 World Congress & Exhibition. Warrendale: SAE International; 2013. [Link] [DOI:10.4271/2013-01-1651]
You-chang L, Xiao-hong G, Dan C. Research on cooling system for 4-cylinder diesel engine. JSAE/SAE International Fuels & Lubricants Meeting. Warrendale: SAE International; 2007. [Link]
Jafarabadi M, Chamani H, Malakizadi A, Jazayeri SA. A fast coupled CFD-Thermal analysis of a heavy duty diesel engine water cooling system. ASME 2008 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Boston: ASME International Mechanical Engineering; 2008. pp. 663-670. [Link]
Jafarabadi M, Chamani H, Jazayeri SA. Improvement of a diesel engine water cooling performance through implementation of different cooling designs. ASME 2013 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. Michigan: Internal Combustion Engine Division; 2013. [Link] [DOI:10.1115/ICEF2013-19212]
Sattarcheh M. Thermal analysis for marine diesel engine exhaust manifold cool water with regard to the boiling phenomenon in the cooling jacket [Dissertation]. Tehran: K.N. Toosi University of Technology; 2011. [Persian] [Link]
Mohammadi A, Yaghoubi M. Two phase flow simulation for subcooled nucleat boiling heat transfer calculation in water jacket of diesel engine. Journal of Engine Research. 2011;22(22):50-61. [Persian] [Link]
Mohammadi A, Hashemi H, Jazayeri SA, Ahmadi M. Two phase flow simulation for nucleate boiling heat transfer calculation in water jacket of diesel engine. ASME-JSEME-KSME Conference. Hamamatsu: luids Engineering Division; 2011. pp. 1721-1729. [Link]
Yu W, France DM, Singh D, Smith RK, Ritter J, Vijlbrief T, et al, Subcooled flow boiling of ethylene glycol/water mixtures in a bottom-heated tube. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014;72:637-645. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.01.051]
Rohsenow SWM. Heat transfer. A Symposium, Engineering Research Institute. Michigan: University of Michigan; 1952. [Link]
Forster H, Zuber N. Dynamics of vapor bubbles and boiling heat transfer. AIChE Journal. 1955;1(4):531-535. [Link] [DOI:10.1002/aic.690010425]
Chen JC. Correlation for boiling heat transfer to saturated fluids in convective flow. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1966;5(3):322-329. [Link] [DOI:10.1021/i260019a023]
Butterworth D. The correlation of cross flow pressure drop data by means of permeability concept. Harwell: UKAEA Atomic Energy Research Establishment; 1979. [Link]
Steiner H, Kobor A, Gebhard L. A wall heat transfer model for subcooled boiling flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005;48(19-20):4161-4173. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.03.032]
Zeng LZ, Klausner JF, Bernhard D, Mei R. A unified model for the prediction of bubble detachment diameters in boiling systems—II. Flow boiling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1993;36(9):2271-2279.
https://doi.org/10.1016/S0017-9310(05)80111-5 [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(05)80112-7]
Hinze JO. Turbulence (McGraw-Hill series in mechanical engineering). 2nd Edition. New York: McGraw-Hill College; 1975. [Link]
Pourfallah M. CFD simulation of heavy duty diesel engine combustion with 2000KW, 1800RPM and marine application [Dissertation]. Mazandaran: Mazandaran University; 2009. [Persian] [Link]
Sitkei G. Heat transfer and thermal loading in internal combustion engines. Amsterdam: Akademiai Kiado; 1974. [Link]
Launder BE, Spalding DB. The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1974;3(2):269-289. [Link] [DOI:10.1016/0045-7825(74)90029-2]
Egorov Y, Menter F, Wintterle T, Eckart L. On the customizing of a subcooled boiling model for industrial CFD Simulation. 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-11). Avignon, France. Amsterdam: Elsevier; 2005. [Link]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 2
بهمن 1397
صفحه 363-373