فشار bar2 و سرعت m/s5.5 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]
شکل 2- 12: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s3 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]
شکل 2- 13: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s4/1 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]
شکل 2- 14: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s7/0 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]
نوریس [6] در سال 1993 در یک مطالعه با استفاده از اندازه‌گیری دماهای سرسیلندر و تحلیل المان محدود تلاش کرد تا نواحی جابجایی خالص، جوشش هسته‌ای و جوشش فیلمی را در موتور پیدا کند. موتور مورد مطالعه در این کار یک موتور دیزل شش سیلندر با حجم جابجایی 10 لیتر و بیشینه توان kW250 بوده است. مرحله‌ی اول این مطالعه شامل مشاهده‌ی جریان خنک‌کننده در یک مدل شفاف و اندازه‌گیری دماهای سرسیلندر بوده است. مشاهده‌ی جریان نشان داد که در مناطقی مانند نواحی بین سوپاپ و انژکتور سرعت خنک‌کننده نزدیک به صفر می‌رسد و حالتی مشابه حالت سکون26 ایجاد می‌گردد. همچنین در مناطق بین یکی از سوپاپ‌های دود و انژکتور حالتی شبیه به پدیده‌ی جدایش رخ می‌دهد. این دو نقطه که در شکل 2- 15 نیز نشان داده شده است و همچنین نواحی بین دور سیلندر از نقاط بحرانی و حساس حرارتی در سرسیلندر مورد مطالعه در این کار به‌شمار می‌آیند.
شکل 2- 15: مناطق حساس حرارتی سرسیلندر در مطالعه‌ی نوریس [6]
هدف از این مقاله این بوده است که تعیین کند که آیا در این نواحی خنک‌کاری مناسب صورت می‌گیرد یا خیر و در صورت منفی بودن جواب مسیر خنک‌کاری را اصلاح نماید. برای این منظور هم از روش آزمایشگاهی یعنی کاشت ترموکوپل در نواحی حساس بهره برده شد و هم از روش تحلیل المان محدود. دو حالت برای سیستم خنک‌کاری در نظر گرفته شد.
حالت اول: خنک کننده آب خالص و سیستم خنک‌کاری بدون فشار (بدترین حالت)
حالت دوم: خنک‌کننده آب و ضدیخ با نسبت حجمی 50-50 و سیستم خنک‌کاری تحت فشار
در حالت اول دماهای نقاط حساس تحت بارها و دورهای مختلف اندازه‌گیری شد. در دماهای حدود C°95 و یا کمی بالاتر از آن یک کاهش نسبی در نرخ افزایش دمای بدنه‌ی سرسیلندر مشاهده می‌شود که مبین وجود جوشش هسته‌ای در این نقاط می‌باشد. در این مقاله دلیل این‌که حتی در نقاط سکون نیز وضعیت بحرانی دیده نمی‌شود ارتعاش موتور و وجود گرادیان دمایی در خنک‌کننده‌ی اطراف این نقاط ذکر کرده است. واضح است که در حالت دوم که هم دمای جوش افزایش می‌یابد و هم فشار سیستم بالاتر رفته است هیچ‌گونه آثاری از جوشش هسته‌ای دیده نخواهد شد.
یکی دیگر از کارهایی که در این قسمت مورد بررسی قرار می‌گیرد کار کمپل است [16]. این کار که یک کار آزمایشگاهی است به بررسی جوشش در موتورهای احتراق داخلی و تأثیرات زبری سطح بر این پدیده می‌پردازد. دستگاه آزمایشگاهی مورد استفاده در این مطالعه در شکل 2- 16 نشان داده شده است.
شکل 2- 16: دستگاه به‌کاررفته در کار کمپل برای شبیه‌سازی جوشش در موتورهای احتراق داخلی [16]
همان‌گونه که ملاحظه می‌شود مجرای عبور سیال یک مجرای مستطیلی در نظر گرفته شد که شباهت بیشتری با مجرای راهگاه خنک‌کننده‌ی موتور داشته باشد. همچنین گرمکن در قسمت پایینی مجرا تعبیه گردید تا شباهت بیشتری به شرایط موتور داشته باشد. یکی از مزایای قابل توجه این دستگاه این است که بخش گرمکن قابل تعویض بوده و بنابراین می‌توان از نمونه‌های مختلف با جنس‌های متفاوت و صافی سطوح مختلف استفاده کرد. برای شبیه سازی هرچه بیشتر شرایط با راهگاه آب خنک‌کننده از یک گرمکن با سطح آلمینیومی استفاده شد. همچنین در این دستگاه فشار ورودی، دمای ورودی، سرعت ورودی و شار حرارتی متغیر و قابل تنظیم بوده است. یکی از اضلاع این مجرای مستطیلی به صورت شیشه‌ای طراحی گردید تا فرآیند جوشش قابل رویت نیز باشد. شار حرارتی از طریق رابطه‌ی رسانش حرارتی و با توجه به ضریب رسانش قطعه قابل اندازه‌گیری است. برای سیال مورد آزمایش از مخلوطی از آب و اتیلن گلیکول با نسبت‌های حجمی 50-50 استفاده شد که همان خنک‌کننده‌ی موتور است. از آنجایی که این دستگاه دارای این قابلیت بوده است که سطوح گرمکن قابل تغییر بوده‌اند، در این کار سه زبری سطح برای سطح گرمکن در نظر گرفته شد:
(الف) سطح پرداخت شده و صاف با زبری 0.3μm
(ب) سطح معمولی با زبری 0.9μm
(ج) سطح ریخته‌گری شده با زبری 9.1μm
لازم به ذکر است که در این کار آزمایشات در فشار bar2 و با یک سطح آلمینیومی انجام شده است تا بیشترین شباهت را با راهگاه آب موتور احتراق داخلی داشته باشد. دماهای C°40 و C°90 به‌عنوان دمای ورودی در نظر گرفته شده و تأثیر آن مورد بررسی قرار گرفته است. در این کار نتیجه‌گیری شده است که در سرعت‌های بالا جوشش در دماهای دیواره‌ی بسیار زیاد رخ خواهد داد به‌گونه‌ای که در این نمودار برای سرعت m/s2 عملا جوشش رخ نداده است. افزایش زبری منجر به افزایش انتقال حرارت خواهد شد. در یک سرعت یکسان افزایش زبری منجر به افزایش انتقال حرارت شده است. همچنین در یک فشار ثابت افزایش زبری، افزایش انتقال حرارت را منجر خواهد شد همچنین مشخص است که به‌ازای یک زبری یکسان، افزایش سرعت نیز افزایش انتقال حرارت را در پی دارد. همچنین با توجه به نتایج استنباط می‌شود که تغییرات فشار در ناحیه‌ی جابجایی تأثیر قابل توجهی در میزان انتقال حرارت ندارد؛ اما در نا
حیه‌ی جوشش به‌ازای زبری‌های یکسان، افزایش فشار کاهش انتقال حرارت را درپی دارد. دلیل این امر نیز در آن است که با افزایش فشار دمای اشباع افزایش می‌یابد.
از نقاط قوت این‌کار می‌توان به محاسبه‌ی CHF با دستگاه آزمایشی اشاره کرد. در بسیاری از کارهایی که در زمینه‌ی جوشش انجام شده است، به‌علت عدم تجهیزات مناسب به محاسبه و تعیین تجربی این نقطه نپرداخته‌اند. در این کار گزارش شده است که افزایش زبری نقطه‌ی شار حرارتی بحرانی را جلو می‌اندازد.
یکی دیگر از کارهای خوبی که در زمینه‌ی جوشش جریانی با هدف کاربرد در موتورهای احتراق داخلی صورت گرفته است کاری است که رابینسون و همکاران انجام داده‌اند [18]. در این کار که یک کار آزمایشگاهی می‌باشد از همان دستگاه مرجع [16] استفاده کردند. رابینسون برای مدل‌سازی فرآیند جوشش از مدل چن استفاده کرده است. نقطه‌ی قوت این کار در مقایسه با کار انجام شده در مرجع [16] این است که در این کار با جایگزینی رابطه‌ی انتقال حرارت جابجایی با یک رابطه‌ی جدید که در آن اثرات توسعه‌نیافتگی جریان، زبری سطح و تغییرات ویسکوزیته با دما دیده شده است، مدل دقیقی برای شبیه‌سازی جوشش جریانی ارائه شده است.تمامی خواص برای مخلوط آب و اتیلن گلیکول با نسبت حجمی 50-50 محاسبه گردید. تعیین برخی از خواص مانند گرمای نهان تبخیر و کشش سطحی برای مخلوط کار بسیار مشکلی است و بنابراین در محاسبات از کشش سطحی آب استفاده شد. در شکل 2- 17 تا شکل 2- 20 تأثیر پارامترهای مختلف مانند سرعت خنک‌کننده، فشار و دما بر روی وقوع پدیده‌ی جوشش دیده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌گردد مدل و داده‌های آزمایشگاهی مطابقت خوبی با یکدیگر دارند. در سرعت‌های بالا یعنی m/s3 و m/s5 تأثیر انتقال حرارت جابجایی آنقدر بالاست که عملاً جوشش اتفاق نمی‌افتد. در دماهای بالا تطابق خوبی بین مدل و یافته‌های آزمایشگاهی دیده می‌شود اما در دماهای پایین کمی انحراف وجود دارد.
در این مقاله گزارش شده است که در یک موتور احتراق داخلی که حداکثر شار حرارتی آن به MW/m28/1 می‌رسد بعید است به CHF برسیم زیرا آزمایشات نشان داده‌اند که برای مخلوط آب و اتیلن گلیکول با نسبت حجمی 50-50 با دمای ورودی 90 درجه سانتی‌گراد، فشار bar1 و سرعت m/s25/0، تحت شار حرارتی MW/m21/2 احتمال CHF دیده شده است.
شکل 2- 17: تأثیر سرعت بر روی نمودار جوشش در فشار bar2، دمای ورودی C°90 برای یک سطح آلمینیومی [18]
شکل 2- 18: تأثیر فشار بر روی نمودار جوشش، دمای ورودی C°90 و سرعت ورودی m/s25/0 [18]
شکل 2- 19: تأثیر فشار بر روی نمودار جوشش، دمای ورودی C°60 و سرعت ورودی m/s25/0 [18]
شکل 2- 20:تأثیر دماهای ورودی مختلف بر نمودار جوشش به ازای فشار bar2 و سرعت m/s1 [18]
یکی دیگر از مطالعات انجام گرفته در زمینه‌ی مدل‌سازی جوشش در موتورهای احتراق داخلی کاری است که بو ارائه کرده است [19]. در این کار برای مدل‌سازی یک مدل CFD ارائه کرده است که در نرم‌افزار VECTIS حل شده است و برای صحه‌گذاری شبیه‌سازی خود از نتایج تجربی ارائه شده در کار رابینسون و یک کار دیگر که زیتون [20] ارائه داده است استفاده کرده است. همچنین برای قسمت‌های جامداتی مانند سرسیلندر، واشر سرسیلندر، بلوک سیلندر و آستری میدان حرارتی مورد حل و تجزیه و تحلیل واقع شد. شرایط مرزی حرارتی برای حل حرارتی با استفاده از یک h و T در بیرون موتور و یک شار حرارتی در داخل محفظه‌ی موتور تعیین شد. محاسبات CFD با در نظر گرفتن جوشش و بدون در نظر گرفتن آن انجام شد.
رابرتسون [21] کاری را با همکاری شرکت جگوار انجام داد که هدف نهایی آن تعیین دور پمپ متناسب با میزان حرارت منتقل شده به خنک‌کننده بود. برای این کار بایستی یک سیستم کنترلی تهیه می‌شد. اساس این سیستم کنترلی یک نقشه27 است که بر پایه‌ی میزان حرارت، دمای سطح و سرعت سیال تهیه گردد. نمونه‌ی این نقشه در شکل 2- 21 آورده شده است. هدف طراحان این بوده است که ابتدا حرارتی که قرار است به خنک‌کننده منتقل شود (QC) تخمین زده می‌شود. سپس QC با ضریب اطمینان 5/1 به صورت QCsafe محاسبه خواهد شد. در این مرحله با استفادده از نقشه‌ی تهیه شده مانند شکل 2- 21 سرعت خنک‌کننده و از آنجا دور پمپ تعیین می‌شود.
شکل 2- 21: نقشه‌ی تعیین سرعت خنک‌کننده بر حسب شار حرارتی و دمای سطح [21]
یکی از کارهای بسیار خوب در زمینه‌ی مدل‌سازی جوشش مادون سرد کاری است که اشتاینر و همکاران [22] انجام دادند. وی برای این منظور از یک دستگاه آزمایشگاهی استفاده کرد و یافته‌های تجربی خود را با استفاده از مدل BDL شبیه‌سازی نمود. الگوواری از دستگاه آزمایشگاهی آنها در شکل 2- 22 آورده شده است. سرعت جریان در این آزمایش از m/s5/0 تا m/s2 تغییر می‌کرد و فشار در بازه‌ی bar1 تا bar2 قابل تنظیم بوده است. دمای ورود سیال به بخش آزمون نیز قابل تنظیم بوده است. بخش آزمون شامل پنجره‌های شیشه‌ای برای مشاهده‌ی پدیده‌ی جوشش هسته‌ای مادون سرد بوده است (شکل 2- 23). نتایج به‌دست آمده از روش BDL که در شکل 2- 24 و شکل 2- 25 نشان داده شده است مطابقت بسیار خوبی با یافته‌های تجربی داشته و در مقایسه با روش چن از دقت بهتری برخوردار می‌باشد.
شکل 2- 22: شماتیک دستگاه به‌کار رفته در کار اشتاینر و همکاران [22]
شکل 2- 23: بخش آزمون دستگاه آزمایشگاهی اشتاینر و همکاران [22]
شکل 2- 24: نمودار جوشش جریانی در فشار bar5/1 و سه سرعت مختلف؛ خط کامل (— ) روش BDL، خط چین (- – – -) روش چن، اندازه‌گیری (•)[22]
شکل 2- 25: نمودار جوشش جر
یانی در فشار bar2 و سه سرعت مختلف؛ خط کامل (— ) روش BDL، خط چین (- – – -) روش چن، (•) اندازه‌گیری [22]
کار دیگری که در زمینه‌ی جوشش موتورهای احتراق داخلی در این‌جا به آن پرداخته می‌شود کاری است که لی [23] انجام داده است. از نقاط قوت این کار محاسبه‌ی دما در سرسیلندر به‌صورت تجربی و با کاشت ترموکوپل‌هایی در سرسیلندرهاست که در شکل 2- 26 نشان داده شده است. همچنین در این کار فشار و دمای ورود و خروج خنک‌کننده، دمای گازهای خروجی، دور موتور، دبی سوخت، گشتاور و موقعیت دریچه‌ی گاز اندازه‌گیری می‌شوند. آزمایشات در حالت دریچه‌ی گاز کاملا باز و در دور مختلف rpm3000 و rpm5000 انجام شد. برای کنترل سرعت خنک‌کننده از یک پمپ الکتریکی استفاده شد و برای هر یک از حالات موتور سه سرعت متفاوت برای خنک‌کننده آزمایش شد. برای به‌دست آوردن دمای دیواره از برون‌یابی دماهای