非均勻散熱管對(duì)中冷器流動(dòng)均勻性的影響

張博峰 劉永濤 王征

摘要： ?為了解決中冷器內(nèi)部氣體流動(dòng)均勻性差的問題，提出了非均勻散熱管中冷器?；诜蔷鶆蛏峁茉O(shè)計(jì)了非均勻散熱管中冷器，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)非均勻散熱管中冷器的內(nèi)部流動(dòng)均勻性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在不改變中冷器氣室的情況下，使用非均勻散熱管能有效提高中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性；非均勻散熱管中冷器與傳統(tǒng)中冷器相比，均勻性系數(shù)提高2.45%～3.51%，中冷器整體壓降增加約7%。

關(guān)鍵詞： ?中冷器；非均勻散熱管；均勻性系數(shù)；壓降

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.006

中圖分類號(hào)： U464.135.8 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?B ??文章編號(hào)： ??1001-２２２２（２０24）０1-００37-０5

自渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，中冷器便作為車輛上的核心部件被研究和優(yōu)化。在能源短缺和環(huán)境惡化的雙重壓力下，新能源汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車，其中的混合動(dòng)力汽車、氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、氫燃料電池汽車依然離不開中冷器技術(shù)。

對(duì)于中冷器最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是壓降和溫升，中冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱能力、可靠性是主要的研究方向，直到文獻(xiàn)［1］提出中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性對(duì)于中冷器的散熱性能、可靠性、凝水都有著重要的影響，中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性才逐漸被重視和研究。張博峰等［1-5］提出良好的中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性可以有效地提高中冷器散熱能力和使用壽命，同時(shí)提出導(dǎo)流式中冷器、混流式中冷器及復(fù)合混流式中冷器設(shè)計(jì)技術(shù)，能有效地提高中冷器的內(nèi)部流動(dòng)均勻性；同時(shí)為了評(píng)價(jià)中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性，提出了流動(dòng)均勻性評(píng)價(jià)方法；通過試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)復(fù)合混流式技術(shù)在均勻性提升方面具有較大的空間。馬天帥等［6］利用CFD方法對(duì)船用柴油機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并對(duì)流動(dòng)均勻性進(jìn)行了優(yōu)化，中冷器入口截面的速度均勻性系數(shù)有所提高。李晗等［7］給出了提高中冷器流動(dòng)均勻性的具體方法及適用范圍。Y. L. L. Pistoresi［8］的研究表明，分配器和收集器的設(shè)計(jì)不當(dāng)，通常會(huì)造成散熱器的流量分布不均，通過對(duì)分配器和收集器的優(yōu)化可以有效地提高流動(dòng)的均勻性。A. Amirfazli等［9］研究了歧管和冷卻流場(chǎng)通道尺寸對(duì)電堆溫度均勻性的影響，同時(shí)引入了冷卻歧管的概念設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冷卻液流速在電池之間的均勻分布。T. C. Joshi等［10］為了改善中冷器性能，提出了一種液冷式中冷器，增壓空氣流量由外殼精確控制，確保氣流均勻分布。Z. A. Cheng等［11］將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合，研究了幾何參數(shù)對(duì)外部歧管固體氧化物燃料電池（SOFC）堆中流動(dòng)均勻性和壓力分布的影響。F. Wang等［12］研究了不同氣室設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)CAC（中冷器）流動(dòng)均勻性的影響，指導(dǎo)CAC的設(shè)計(jì)與開發(fā)。H. Kallath等［13］基于CFD仿真方法，通過回歸分析找到了具有改進(jìn)流動(dòng)均勻性的入口和出口歧管，改善了空氣冷卻器的流動(dòng)均勻性。Sudhanshu Pandey等［14］研究了低壓側(cè)流動(dòng)不均勻?qū)Q熱器熱性能的影響。

前期研究表明，中冷器內(nèi)部氣體流動(dòng)均勻性對(duì)于中冷器的性能有著重要的影響，改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)雖然有效，但中冷器氣室往往受物理邊界條件的限制而不能改變，所以本研究在不改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)的前提下提出了非均勻散熱管中冷器設(shè)計(jì)方案，并研究非均勻散熱管對(duì)中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性的影響。

1 ??仿真模型

1.1 ??中冷器結(jié)構(gòu)

圖1示出一種典型的空-空中冷器結(jié)構(gòu)，中冷器主要由左側(cè)的進(jìn)氣氣室、右側(cè)的出氣氣室以及中間的芯體組成。中冷器芯體由主片、側(cè)板、散熱管總成、散熱帶組成。

圖2為中冷器氣體流動(dòng)示意。由圖可見，熱壓縮空氣從左側(cè)進(jìn)氣氣室進(jìn)入，然后平行流過中冷器芯體，最后從右側(cè)中冷器出氣氣室流出。中冷器外側(cè)的冷卻氣流流過中冷器芯體部分的外部區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱壓縮空氣與外部冷空氣的熱量交換。

對(duì)于傳統(tǒng)的中冷器而言，由于受整車結(jié)構(gòu)的限制，所以通過對(duì)氣室的優(yōu)化來(lái)提高流動(dòng)均勻性有較大的困難；導(dǎo)流式、混流式以及復(fù)合混流式中冷器技術(shù)雖然有較好的流動(dòng)均勻性，也不用改變中冷器氣室外部物理邊界條件，但是其制造困難的問題一直存在［1-3］。本研究基于前期的研究成果，提出了非均勻散熱管中冷器方案，不是改變中冷器氣室的內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)，而是改變中冷器散熱管的阻力特性，從而提高中冷器的內(nèi)部流動(dòng)均勻性。

非均勻散熱管中冷器是通過采用不同阻力特性的散熱管總成來(lái)組成中冷器芯體，中冷器氣室不發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。圖3為組成中冷器芯體的3種散熱管總成示意。3種散熱管總成的外部結(jié)構(gòu)尺寸相同，唯一的區(qū)別是A型、B型、C型散熱管的紊流片波距尺寸不同，分別為5.5 mm，4.5 mm，3.5 mm，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的散熱管阻力特性。

在中冷器氣室不變的前提下，為了調(diào)整散熱管總成內(nèi)的質(zhì)量流量分布，設(shè)計(jì)了如圖4所示的非均勻散熱管中冷器芯體結(jié)構(gòu)。中冷器芯體共有39個(gè)散熱管總成，中冷器芯體從上到下分為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4、區(qū)域5，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的管型分別是A，B，C，B，A，對(duì)應(yīng)的散熱管總成數(shù)量分別是4，6，13，7，9。A型散熱管總成的分布位置是1號(hào)至4號(hào)，31號(hào)至39號(hào)；B型散熱管總成分布的位置是5號(hào)至10號(hào)，24號(hào)至30號(hào)；C型散熱管總成分布的位置是11號(hào)至23號(hào)。B型散熱管總成與基準(zhǔn)中冷器使用的散熱管總成相同。

1.2 ??散熱管總成阻力系數(shù)計(jì)算

為了得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，首先對(duì)單根散熱管總成進(jìn)行流體仿真分析，獲得3種散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)。隨后建立中冷器總成的流體模型，利用散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)建立各個(gè)散熱管總成的多孔介質(zhì)模型。利用基于多孔介質(zhì)模型的中冷器模型進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算每根散熱管總成的質(zhì)量流量，并計(jì)算中冷器整體的流動(dòng)均勻性和中冷器壓降。

表1列出3種散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)。散熱管總成進(jìn)口流速分別取2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s，10 m/s，覆蓋了常用的中冷器流速范圍。在相同的流速條件下，A型散熱管總成的壓降最小，B型散熱管總成的壓降居中，C型散熱管總成的壓降最大。

根據(jù)中冷器散熱管總成多孔介質(zhì)模型的設(shè)定要求，通過式（1）計(jì)算中冷器散熱管總成的慣性阻力系數(shù)以及黏性阻力系數(shù) ［15］：

Δp L =－（P ?i ?v +P ?v ）v 。 ?（1）

式中： v為通過介質(zhì)的速度；P ?i 為慣性阻力系數(shù)；P ?v ?為黏性阻力系數(shù)。

通過表1中的數(shù)據(jù)和式（1）分別計(jì)算出3種散熱管總成的慣性阻力系數(shù)以及黏性阻力系數(shù)，如表2所示。

1.3 ??中冷器模擬邊界條件設(shè)定

在仿真計(jì)算中，為了與中冷器實(shí)際的使用工況吻合，中冷器入口邊界設(shè)定為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量分別設(shè)定為0.1 kg/s，0.2 kg/s，0.3 kg/s，0.4 kg/s，0.5 kg/s，覆蓋了目前中冷器的使用范圍；中冷器出口設(shè)定為壓力出口，壁面為無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。

1.4 ??流動(dòng)均勻性評(píng)價(jià)參數(shù)

為了對(duì)中冷器內(nèi)部的分布均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，引入以下評(píng)價(jià)參數(shù)［1］：

1） 質(zhì)量流量最大值與最小值比值 R 。

R= G ?max ?G ?min ??。 ?（2）

式中： G ?max 為散熱管總成的最大質(zhì)量流量；G ?min ?為散熱管總成的最小質(zhì)量流量。

2） 均勻性系數(shù) γ 。表示中冷器芯體內(nèi)氣體流動(dòng)分布均勻的程度，其表達(dá)式為［1］

γ=1－ 1 2 ∑ N ?n =1 ??G n－G - ??NG - ??。 ?（3）

式中： N為散熱管總成數(shù)量；G - 為所有散熱管總成的平均質(zhì)量流量；G ?n 為第n 根散熱管的質(zhì)量流量。

當(dāng) γ =1時(shí)，每根散熱管的質(zhì)量流量相同，中冷器內(nèi)部流量分布均勻性最好，屬于理想狀態(tài)。正常情況下，1＞ γ ＞0，該值越大，各個(gè)散熱管中的流量分布越均勻，該值越小，散熱管內(nèi)部的流量分布越不均勻［1］。

1.5 ??模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)裝置對(duì)相同工作條件下的基準(zhǔn)中冷器的流動(dòng)阻力進(jìn)行測(cè)試，并與仿真模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表3列出了基準(zhǔn)中冷器模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，利用中冷器風(fēng)洞試驗(yàn)獲取的中冷器壓降數(shù)據(jù)與CFD模擬的壓降數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差在-2.13%～2.92%之間，驗(yàn)證了在該流量范圍內(nèi)該中冷器模型的準(zhǔn)確性。

1.6 ??中冷器流場(chǎng)分析

本研究對(duì)基準(zhǔn)中冷器和改進(jìn)中冷器（非均勻散熱管中冷器）模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。

圖5示出基準(zhǔn)中冷器內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布云圖，中冷器氣口正對(duì)的散熱管具有最大的流速，以中冷器氣口為中心，隨著散熱管距中心距離的增加，氣體流速逐漸減小。

圖6示出改進(jìn)中冷器內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布云圖。由圖可見，散熱管流速的分布趨勢(shì)與基準(zhǔn)中冷器的基本一致，不同之處在于中心附近的流速有所降低，兩側(cè)遠(yuǎn)離中心的散熱管流速有所增加。

2 ??模型仿真結(jié)果分析

2.1 ??質(zhì)量流量對(duì)均勻性的影響

表4列出不同質(zhì)量流量下中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性對(duì)比情況。對(duì)于同一款中冷器，在給定的質(zhì)量流量范圍內(nèi)，隨著中冷器質(zhì)量流量的增加，中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性系數(shù)逐漸減小，中冷器的散熱管最大質(zhì)量流量與最小質(zhì)量流量的比值 R 逐漸增大，中冷器流動(dòng)均勻性隨著質(zhì)量流量的提高而變差。在同一質(zhì)量流量下，改進(jìn)中冷器相比基準(zhǔn)中冷器流動(dòng)均勻性系數(shù) γ 有了明顯的提升，均勻性系數(shù)提高了2.44%～3.51%；而質(zhì)量流量最大值與最小值比值 R 有了明顯的降低， R 值降低了9.28%～12.07%。

2.2 ??非均勻散熱管對(duì)中冷器流動(dòng)均勻性的影響

圖7示出0.3 kg/s的質(zhì)量流量條件下，基準(zhǔn)中冷器和改進(jìn)中冷器整體的流動(dòng)均勻性對(duì)比情況。改進(jìn)中冷器相比基準(zhǔn)中冷器，2號(hào)，3號(hào)，10號(hào)至23號(hào)，25號(hào)至39號(hào)散熱管的質(zhì)量流量相較平均值偏差明顯減小。改進(jìn)中冷器進(jìn)氣口對(duì)應(yīng)的中心位置附近的散熱管質(zhì)量流量最大，但是相比基準(zhǔn)中冷器有所降低，遠(yuǎn)離中心的散熱管質(zhì)量流量有所增加。改進(jìn)中冷器散熱管總成內(nèi)的空氣質(zhì)量流量偏離平均值的幅度有了明顯的減小，散熱管最大質(zhì)量流量相比基準(zhǔn)中冷器有所降低，最小質(zhì)量流量相有所提高，說明改進(jìn)后的中冷器流動(dòng)均勻性得到了提高。

2.3 ??非均勻散熱管對(duì)中冷器壓降的影響

圖8示出基準(zhǔn)中冷器和改進(jìn)中冷器的壓降對(duì)比情況。由圖8可見，改進(jìn)中冷器相比基準(zhǔn)中冷器，整體的壓降有所增加，隨著質(zhì)量流量的增加，中冷器壓降增幅也在增加。改進(jìn)中冷器相比基準(zhǔn)中冷器，整體壓降增加約7%，說明非均勻散熱管雖然對(duì)中冷器流動(dòng)均勻性提升有所貢獻(xiàn)，但是也增加了中冷器的阻力。改進(jìn)中冷器的壓降最大為8.21 kPa，小于發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定的壓降設(shè)計(jì)值（小于等于12 kPa），滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)目前的研究結(jié)果，中冷器流動(dòng)均勻性的提高可以有效提高中冷器效率，進(jìn)而降低中冷器溫升，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，抵消部分壓降增加帶來(lái)的功率損耗［3］。

3 ??結(jié)論

a） 非均勻散熱管中冷器在不改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)的前提下有效提高了中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性；

b） 非均勻散熱管中冷器相比傳統(tǒng)中冷器，散熱管內(nèi)質(zhì)量流量的偏差明顯減小，均勻性系數(shù)提高2.45%～3.51%；

c） 非均勻散熱管中冷器相比傳統(tǒng)中冷器，中冷器整體壓降增加約7%，說明非均勻散熱管雖然對(duì)中冷器流動(dòng)均勻性提升有所貢獻(xiàn)，但是也增加了中冷器的阻力；

d） 改進(jìn)中冷器的壓降最大為8.21 kPa，小于規(guī)定的壓降設(shè)計(jì)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ ?張博峰，姜小放，張小康，等.基于CFD數(shù)值模擬的中冷器導(dǎo)流裝置性能研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2014（9）：15-19.

［2］ 張博峰，王芳蘭，索建秦.中冷器內(nèi)流道流動(dòng)均勻性研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（12）：24-28.

［3］ 張博峰，索建秦，王芳蘭.復(fù)合混流式中冷器性能研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2021（5）：58-62.

［4］ 張博峰，張小康，肖壽高，等.車用管帶式中冷器：CN201310424994.5［P］.2015-03-25.

［5］ 張博峰，王鳳蘭，肖壽高，等.管帶式中冷器：CN201410777546.8［P］.2016-07-20.

［6］ 馬天帥，毛金龍，張文正，等.基于CFD仿真的柴油機(jī)中冷器流動(dòng)均勻性優(yōu)化［J］.柴油機(jī)，2017，39（3）：20-24.

［7］ 李晗，田杰，李朝勇.空空中冷器流動(dòng)均勻性研究［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（8）：104-108.

［8］ Pistoresi C，F(xiàn)an Y，Luo L.Numerical study on the improvement of flow distribution uniformity among parallel mini-channels［J］.Chemical Engineering & Processing Process Intensification，2015，95：63-71.

［9］ Amirfazli A，Asghari S，Sarraf M.An investigation into the effect of manifold geometry on uniformity of temperature distribution in a PEMFC stack［J］.Energy，2018，145（15）：141-151.

［10］ ?Joshi T C，Kushwah Y S.Thermal design of liquid cooled charge air cooler：A computational approach［J］.Invertis Journal of Renewable Energy，2017，7（3）：147-157.

［11］ Cheng Z A，Jy B，Tao Z A，et al.Numerical modeling of manifold design and flow uniformity analysis of an external manifold solid oxide fuel cell stack［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2020，45（28）：14440-14451.

［12］ Wang F，Liu R，Zhang B.Research on flow uniformity of the charge air cooler based on CFD［C］//Advances in Decision Science and Management.Singapore：Springer，2021.

［13］ Kallath H，Kholi F K，Jin Q，et al.Numerical study of the flow uniformity inside the high-pressure side manifolds of a cooled cooling air heat exchanger［J］.Applied Thermal Engineering，2021，189（4）：116645.

［14］ Sudhanshu Pandey，Hariharan Kallath，Ho Yeon Ch-oi，et al.Numerical study of the effect of flow nonuniformities on the low-pressure side of a Cooled Cooling Air heat exchanger［J］.Applied Thermal Engineering，2022，217（4）：119113.

［15］ Simcenter STAR-CCM+UserGuide_4.04.011［C］.［S.l.］：SIEMENS AG，2009.

Influence of Non-Uniform Cooling Tubes on Flow Uniformity of Intercooler

ZHANG Bofeng1，LIU Yongtao2，WANG Zheng3

（1.Shaanxi Vocational&Technical College，Xian 710038，China;2.Changan University，Xian 710064，China;3.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112，China）

Abstract： ?In order to solve the problem of gas poor flow uniformity in the intercooler， the non-uniform cooling tube was proposed. The intercooler of non-uniform cooling tube was designed and the flow uniformity was studied based on the computational fluid dynamics（CFD）. The results show that， without changing the air chamber of intercooler， the use of non-uniform cooling tube can effectively improve the flow uniformity in the intercooler. Compared with the traditional intercooler， the uniformity coefficient of improved intercooler increases by 2.45%-3.51% and the pressure drop increases by about 7%.

Key words： ?intercooler;non-uniform cooling tube;uniformity coefficient;pressure drop

［編輯： 姜曉博］

收稿日期： ??2023-02-03； [HT6H]修回日期： ??2023-07-18

基金項(xiàng)目： ??國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFB2501202）

作者簡(jiǎn)介： ??張博峰（1984—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚐峁芾砑皠?chuàng)新方法；zhangbofeng001@163.com。

通訊作者： ???劉永濤（1989—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同控制、人車路系統(tǒng)安全、新能源汽車低碳評(píng)價(jià)與產(chǎn)業(yè)規(guī)劃；liuyongtao86@163.com。