基于CFD的中冷器氣室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

孟祥廷，閆偉，王桂華，傅松

(山東大學能源與動力工程學院，山東濟南 250061)

0 引言

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生更多熱量，對汽車發(fā)動機冷卻性能的要求越來越高[1]。做為冷卻系統(tǒng)中的核心部件，中冷器的研究受到更多重視。中冷器的研究主要圍繞性能分析、新技術開發(fā)、設計建模和優(yōu)化、試驗測試和數(shù)值模擬等方面[2-3]。中冷器氣室的結(jié)構(gòu)設計對高溫空氣的流動及分布情況有較大影響，不合理的氣室結(jié)構(gòu)會增加流經(jīng)氣體的流動阻力，降低中冷器的散熱性能；合理的氣室結(jié)構(gòu)可以使高溫氣體更易散熱[4-6]。因此，中冷器氣室結(jié)構(gòu)對于提高中冷器工作性能及效率起著至關重要的作用。國內(nèi)外很多學者對中冷器的氣室結(jié)構(gòu)及優(yōu)化問題開展了多項研究。閆榮格[7]認為利用熱電效應將散發(fā)到外界的余熱回收利用，可以提高能量的利用率，降低進氣溫度，增加增壓器的進氣量，最終達到提高發(fā)動機輸出功率，實現(xiàn)節(jié)能高效的目的。劉草金[8]對中冷器進行結(jié)構(gòu)設計并構(gòu)建三維模型，對板翅式中冷器中的傳熱性能、流場分布及流阻特性進行對比分析。張警釁[9]利用三維軟件對比分析內(nèi)齒式、大齒式、斜撐式3種冷卻管的速度、溫度、壓力云圖的變化趨勢，利用獲得的壓降和散熱量研究3種冷卻管結(jié)構(gòu)的流動性能和換熱性能。張旭[10]利用三維仿真軟件對不同氣室結(jié)構(gòu)的中冷器進行散熱特性及流動性能對比分析，優(yōu)化中冷器氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)，解決某重型客車發(fā)動機進氣溫度高、中冷器散熱性能差的問題。Engkuah等[11]以水冷型中冷器為研究對象，對進入進氣歧管前的高溫氣體進行冷卻，并采用一種能夠冷卻中間冷卻器系統(tǒng)的液體，節(jié)省燃料的消耗。Gonca等[12]以能量、有效生態(tài)力密度和生態(tài)學性能系數(shù)等為理論基礎，考慮燃氣輪機在加熱和傳熱過程中的熱量損失，分析研究渦輪長度和直徑等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其進氣壓力和溫度的影響情況。Gao等[13]設計出一款能夠根據(jù)要求完成中冷器的設計任務的新型程序，可滿足中冷器的性能研究。

本文中基于計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法，對2種不同氣室結(jié)構(gòu)的中冷器幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分，并將生成的網(wǎng)格文件導入Fluent軟件中進行流場仿真分析，得到中冷器整體及氣室部分的壓力云圖和速度云圖，分析不同氣室結(jié)構(gòu)對中冷器工作性能及工作效率的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的缺陷，最終選出工作性能較好的中冷器氣室結(jié)構(gòu)。

1 中冷器模型

1.1 物理模型

流體流動的求解過程，在Fluent中須滿足質(zhì)量、能量及動量守恒3大定律。

1)質(zhì)量守恒

所有流體的流動過程都要滿足質(zhì)量守恒方程，即在單位時間內(nèi)，通過單元體的流體靜質(zhì)量之和與同時間單元體內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量相等[14]，質(zhì)量守恒方程為：

式中：P為靜壓力，Pa；t為流體微元在單元體內(nèi)的時間，s；ρ為流體密度 ，kg/m3；v為流體流速，m/s。

2)動量守恒

動量守恒即N-S方程，其本質(zhì)在于滿足牛頓第二定律[15]。動量守恒在x方向的表達式為：

y方向的表達式為：

z方向的表達式為：

式中：u、v、w分別是流體在x，y，z方向上的速度分量，m/s；t為時間，s；μ為流體層流黏度系數(shù)；SN、SV、SW分別為N-S方程的廣義源項。

1.2 網(wǎng)格模型

本文中研究2種不同結(jié)構(gòu)的中冷器內(nèi)部阻力在氣室和芯體的分布情況，2種中冷器的芯體相同，氣室結(jié)構(gòu)不同。由于模型相對比較復雜，尤其翅片處幾何尺寸較整體氣室小，所以在網(wǎng)格劃分過程中會因尺寸差距較大引起各種網(wǎng)格問題，如導致網(wǎng)格質(zhì)量差而增加計算時間和成本等。以不影響計算結(jié)果為基礎，將翅片進行簡化處理，用整體尺寸相同的長方體進行代替，最終選擇以網(wǎng)格尺寸為3 mm進行網(wǎng)格化處理，生成的面網(wǎng)格約為36萬個，體網(wǎng)格約為278萬個，并選取2種類型的中冷器整體網(wǎng)格模型及其氣室網(wǎng)格模型對比如圖1、2所示。

a)整體網(wǎng)格模型 b) 氣室網(wǎng)格模型圖1 無氣室側(cè)壁傾角模型

a)整體網(wǎng)格模型 b) 氣室網(wǎng)格模型圖2 有氣室側(cè)壁傾角型模型

2 邊界條件設置

在三維求解過程中，需選擇不同邊界條件并進行正確設置，邊界條件是否合理直接影響仿真計算結(jié)果的準確性。根據(jù)企業(yè)所提供的試驗數(shù)據(jù)，將中冷器散熱芯體的進口邊界條件采用適用于不可壓流的質(zhì)量流量進口，入口流量為0.33 kg/s，其流動方向與進口平面垂直；計算介質(zhì)設置為不可壓縮空氣，密度設為1.225 kg/m3，壓力為101.325 kPa。為了防止回流出現(xiàn)，出口設置為壓力出口邊界，靜壓設為0。壁面為默認的無滑移壁面，并將芯體部分設置成多孔介質(zhì)模型。

3 仿真結(jié)果對比分析

將所提供的中冷器幾何模型在軟件Hypermesh中進行網(wǎng)格化處理后，導入軟件Fluent中，對中冷器內(nèi)部氣體的流動進行仿真分析，分別得到壓力場和速度場的對比情況。

3.1 壓力場

經(jīng)三維仿真計算，得到氣室結(jié)構(gòu)不同的2種中冷器的壓降特性，其中無氣室側(cè)壁傾角型的進出口壓降為15.59 kPa，有氣室側(cè)壁傾角型的進出口壓降為13.38 kPa。2種中冷器壓力云圖如圖3所示(圖中單位為kPa)。

a)無氣室側(cè)壁 b)有氣室側(cè)壁圖3 傾角型中冷器壓力云圖

引起中冷器氣室內(nèi)壓降的因素有很多，其中包括流經(jīng)中冷器的內(nèi)部氣體與氣室側(cè)壁間的摩擦壓力損失、進氣口和出氣口與氣室連接處由于體積變化而引起的壓力損失以及氣體在流動過程中由于速度變化而引起的壓力損失等。

從圖2、3可以看出，相比無氣室側(cè)壁傾角型中冷器，由于氣室傾角的存在，有氣室側(cè)壁傾角型中冷器氣室與進口的連接處更加接近流線型，內(nèi)部氣體流經(jīng)氣室時流動阻力相對較小，由于氣室結(jié)構(gòu)變化而引起的壓降較小。所以與無氣室側(cè)壁傾角型中冷器相比，有氣室側(cè)壁傾角型中冷器的壓降較小。

3.2 速度場

圖4、5為2種類型中冷器的流場分布情況(圖中單位為m/s)。

a)整體速度流線圖 b)入口流場分布圖 c)出口流場分布圖圖4 無氣室側(cè)壁傾角型中冷器速度流線

a)整體速度流線圖 b)入口流場分布圖 c)出口流場分布圖圖5 有氣室側(cè)壁傾角型中冷器速度流線

由圖4、5可知，流經(jīng)增壓器的氣體以較高的速度流進中冷器進氣口，氣流在氣室與進氣口管道之間形成噴射狀結(jié)構(gòu)，使得氣流速度增加；之后氣體流進氣室，氣室結(jié)構(gòu)較大，增加了氣體的流通面積，氣流速度隨之降低，同時內(nèi)部氣體在撞到氣室內(nèi)壁后產(chǎn)生氣體回流，回流的氣體再與剛進入的氣流相撞從而引起局部的渦流現(xiàn)象，這種渦流是引起壓降的主要原因；隨后氣體流進中冷器芯體，流速達到穩(wěn)定狀態(tài)；當氣體最后匯集到排氣氣室，由排氣管道流出中冷器時，氣體流通面積隨之減少，流速明顯增大，導致壓降增大。

4 結(jié)論

利用Hypermesh和Fluent軟件對2種不同氣室結(jié)構(gòu)的中冷器進行幾何建模和三維仿真計算，從氣體的整體流動過程可以得出以下結(jié)論：

1)氣體的壓力損失主要發(fā)生在中冷器氣室處，此時氣體速度和能量都有變化。

2)氣室傾角使得氣室與進口的連接處更加接近流線型，降低了內(nèi)部氣體流經(jīng)氣室時的流動阻力?？蛇m當改變氣室傾角來降低中冷器內(nèi)部流體的流動阻力。

3)有氣室側(cè)壁傾角型中冷器的出口流體速度較無氣室側(cè)壁傾角型高。

4)由于有氣室側(cè)壁傾角型中冷器氣室具有側(cè)壁傾角，使得氣體在流經(jīng)中冷器時壓降較小，所以整體流動性能較無氣室側(cè)壁傾角型中冷器好。

中冷器氣室傾角的存在對其整體流動性能有較大影響。由于企業(yè)僅提供了有氣室傾角和無氣室傾角2種結(jié)構(gòu)的中冷器模型，對于進一步研究中冷器氣室結(jié)構(gòu)對流動性能的影響有所限制。在以后的研究中，可以選取不同的氣室傾角對中冷器性能進行仿真分析，通過對比結(jié)果，確定最優(yōu)氣室傾角，選擇壓降最小、流動性能更好的中冷器結(jié)構(gòu)。