发动机壁面瞬态换热系数的试验求取与分析

　　1　前言

　　在应用表面温度法研究发动机壁面传热问题时,一直存在着一些问题,归纳起来有以下两个方面:(1)瞬态换热系数α(τ)值无限大问题,当气体容积平均温度与壁温之差(tq-tw)在进排气阶段为零时,此时的瞬态热流率q(0,τ)不为零,从而产生了瞬态换热系数α(τ)趋向无限大的问题。(2)α(τ)出现负值问题,即在膨胀阶段初期,此时温差(tq-tw)显然大于零,但瞬时热流率出现负值,此时按牛顿冷却定律求解就得到负的换热系数。近期对表面温度法试验研究中出现的问题分析表明,气体容积平均温度的假定是造成瞬态换热系数α(τ)试验值误差的根源。本文试图寻求一种新的α(τ)试验求取方法,从而可以避免使用气体容积平均温度作为壁面传热的特征量。因此,文中在研究壁面温度水平对瞬时传热特性影响的基础上,提出了一种发动机壁面瞬态换热系数新的试验求取法,并为此专门研制了一种新型膜温可控式薄膜热电偶,使试验研究方案得以实现。文中阐述了在这方面的初步研究结果。

　　2　壁面温度因素独立影响的实现

　　研究壁面温度水平对瞬时传热特性的影响,首先要实现壁温与传热特性的单一相关条件。当内燃机负荷、转速等因素改变时壁面温度水平也要相应改变。因为壁面传热特性是缸内热力过程、表面流动状况、壁面结构和温度等因素的综合影响结果。因此,必须在保证其它参数不变的条件下,独立地改变壁温来观察传热特性的改变,而这种单一条件的实现必须依赖于特殊的传感器才能实现。用于试验的传感器须同时具备两个功能:其一,能准确地测出表面温度波形态;其二,在保证单一性条件下,能方便地控制局部表面温度。

　　为此研制的膜温可控式表面热电偶成功地解决了这些问题。图1所示的传感器构造显示了表面热电偶的表面薄膜2,同时也是表面加热膜,通过控制热电偶的加热极端电压,可以得到不同的传感器表面温度。这种膜加热控制壁温方式的优点是:

　　(1)薄膜加热不会改变传感器头部的一维导热特性。由于加热面为膜面,膜很薄(δ=0. 4μm),并加热面积相对较大(A0=26mm²),表面电流密度均匀,故膜面温升一致。因此,加热时表面一维导热能够保证。对于根据壁面处的温度求导而得的交变热流率分量而言,有足够的精度。同时为了保证稳态热流率分量求取的正确性,在热电偶外径上套装了氧化铝绝缘管。

　　(2)膜加热方式方便地实现了壁温控制,通过调节加热电压的大小,可以准确地得到所需的表面温升。薄膜加热的温升敏感性很好,试验表明很小的加热功率就能得到较大的温升变化。