EGR冷卻器液側(cè)沸騰特性及流量參數(shù)優(yōu)化研究

楊季旺 龐華廷 劉叢浩 杜憲峰 ?？×? 劉崇

摘 要：文章對某款柴油發(fā)動機(jī)的EGR冷卻器的沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了研究，EGR冷卻器的主要作用是對循環(huán)廢氣進(jìn)行冷卻，文章基于Ansys Fluent軟件對EGR冷卻器進(jìn)行流體熱力學(xué)有限元仿真，對比了不同的EGR冷卻水流量，沸騰區(qū)域的大小，并提出了合理的EGR冷卻水流量，有效防止了沸騰現(xiàn)象對EGR冷卻器的損害。

關(guān)鍵詞：EGR冷卻器;CFD軟件;水流量;沸騰

中圖分類號：U463.23+4.93 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-98-03

Abstract： In this paper， a model of diesel engine EGR cooler boiling phenomena are studied， the main purpose of the EGR cooler is to cooling circulation gas， based on Ansys Fluent software for EGR cooler fluid thermodynamic finite element simulation， compares the different EGR cooling water flow rate， boiling area size， and put forward the reasonable EGR cooling water flow rate， effectively prevent the phenomenon of boiling the damage to the EGR cooler.

Keywords： EGR cooler; CFD software; Water flow; Boiling

CLC NO.： U463.23+4.93 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-98-03

前言

隨著汽車保有量的逐年增長，環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，柴油機(jī)排出的氮氧化物（NOX）嚴(yán)重威脅到了人們的健康，國VI低排放法規(guī)的出臺使內(nèi)燃機(jī)排放問題受到更廣泛的關(guān)注[1]。EGR技術(shù)作為一種能有效減低NOX方法而被廣泛應(yīng)用，廢氣再循環(huán)的EGR技術(shù)指把發(fā)動機(jī)排出的部分廢氣回送到進(jìn)氣歧管，并與新鮮混合氣一起進(jìn)入氣缸。由于廢氣中含有大量CO2等多原子氣體，而CO2等氣體不能燃燒卻由于比熱容高而吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的最高燃燒溫度降低，從而減少NOX的生成[2]。EGR冷卻器是EGR系統(tǒng)中的重要組成部分，在工程上經(jīng)常會因?yàn)榉序v現(xiàn)象導(dǎo)致冷卻器開裂[3]，因此探究不同水流量對EGR冷卻器沸騰的影響，對EGR冷卻器使用壽命有積極的作用。

本文對國六柴油發(fā)動機(jī)EGR冷卻器，應(yīng)用三維熱力學(xué)仿真技術(shù)對EGR冷卻器建立數(shù)學(xué)模型[4-5]，分析不同水流量對沸騰的影響[6-8]。

1 冷卻器結(jié)構(gòu)

本文研究的EGR冷卻器依托于某主機(jī)廠的翅片式EGR 冷卻器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比于國四，國五柴油機(jī)所使用的打坑管式EGR冷卻器和螺旋管式EGR冷卻器有更好的換熱性能。EGR冷卻器的功能是冷卻再循環(huán)氣體，其主要部分包括：進(jìn)氣法蘭，排氣法蘭，冷卻管，進(jìn)氣口，排氣口，冷卻水入口，冷卻水出口。

2 沸騰現(xiàn)象

如圖1沸騰曲線可以分為四個主要的區(qū)域。對流沸騰區(qū)（圖中的AB 線段），過渡沸騰區(qū)（圖中的CD 線段），膜態(tài)沸騰區(qū)（圖中DE 線段），核態(tài)沸騰區(qū)（圖中的BC 線段），經(jīng)過C點(diǎn)之后，隨著過熱度的進(jìn)一步增加而使汽化核心的數(shù)目增加到使其產(chǎn)生的汽泡很容易結(jié)合成汽膜，從而使換熱強(qiáng)度下降，汽膜可以使局部溫度很好對冷卻器造成損害。核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB有重大意義，亦稱燒毀點(diǎn)，核態(tài)沸騰具有較好的換熱性能，但不能超過DNB點(diǎn)，否則會造成EGR冷卻器局部溫度過高從而燒毀冷卻器。

3 CFD分析計(jì)算

3.1 三維建模，網(wǎng)格劃分與求解

本文用CATIA軟件建立三維模型，模型所示，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench下，采用mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，數(shù)量為14673800;使用ANSYS Fluent進(jìn)行求解，本文采用氣—固—液耦合的方式進(jìn)行仿真模擬，氣側(cè)材料為空氣，液側(cè)為水，金屬材料為不銹鋼，邊界條件如表1：

3.2 仿真結(jié)果分析

結(jié)合沸騰試驗(yàn)實(shí)際測試結(jié)果，選取464 kg/h、880 kg/h、1500 kg/h三個工況進(jìn)行CFD了仿真分析。仿真結(jié)果如表2：

3.2.1 溫度對比圖

液側(cè)整體溫度分布對比（溫度范圍84.4～120°C，高于120°C顯示紅色）如圖2：

3.2.2 沸騰區(qū)域分析

按試驗(yàn)條件給定的水側(cè)絕對壓力215 kPa，查表得知，水在此壓力下的沸點(diǎn)為120℃，各水流量沸騰區(qū)域如表3：

3.2.2 結(jié)果分析

通過本次沸騰試驗(yàn)以及對CFD仿真分析結(jié)果，可以得出結(jié)論：

1）在保持氣側(cè)試驗(yàn)條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側(cè)流量1520kg/h的工況時，在氣側(cè)高溫的入口側(cè)（水側(cè)）為出現(xiàn)氣泡的臨界點(diǎn)（超出120℃的區(qū)域占比為0.0002%），此時水側(cè)出口端的溫度為90℃左右，不易出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象;

2）在保持氣側(cè)試驗(yàn)條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側(cè)流量880kg/h的工況時，在氣側(cè)高溫的入口側(cè)（水側(cè)）出現(xiàn)大量氣泡生成，但未出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象（超出120℃的區(qū)域占比為0.016%），此時水側(cè)出口端的溫度為92℃左右，有產(chǎn)生沸騰的趨勢;

3）在保持氣側(cè)試驗(yàn)條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側(cè)流量464kg/h的工況時，在氣側(cè)高溫的入口側(cè)（水側(cè)）有大量密集氣泡生成并變大，同時向水側(cè)出口端溢出（超出120℃的區(qū)域占比為0.29%），此時水側(cè)出口端的溫度為100℃左右，已經(jīng)開始出現(xiàn)沸騰。

4 結(jié)論

本文通過對某款柴油機(jī)EGR冷卻器，采用ANSYS Fluent軟件的仿真分析，得到在氣側(cè)流量為80kg/h，入口溫度為490℃及水側(cè)入口溫度85℃的條件下，當(dāng)水側(cè)流量達(dá)到880kg/h時即采用措施防止沸騰現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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