廢氣再循環冷卻器的性能仿真及結構改進研究

陸　磊　張振東　尹叢勃

上海理工大學，上海，200093

廢氣再循環冷卻器的性能仿真及結構改進研究

陸磊張振東尹叢勃

上海理工大學，上海，200093

廢氣再循環(EGR)冷卻器的工作條件惡劣，經常由于熱負荷過高而出現結構開裂問題，嚴重影響實際使用性能。針對某型EGR冷卻器，采用流固耦合熱分析方法，用計算流體力學和有限元軟件計算分析了EGR冷卻器的流場、溫度場和熱應力分布，其數值模擬結果與測試結果吻合；驗證了EGR冷卻器的開裂現象系工作時所受熱應力過高導致。據此，通過在外表面增加擾流槽對EGR冷卻器結構進行了一定的改進，試驗結果表明，改進后的EGR冷卻器不再出現開裂現象，研究結果表明流固耦合分析是解決EGR冷卻器開裂問題的有效方法。

廢氣再循環冷卻器；熱應力；流固耦合；擾流槽

0　引言

隨著各國排放法規越來越嚴格，各汽車廠商為了降低NOx的排放，將廢氣再循環(EGR)技術廣泛地應用于柴油發動機上[1-3]。現階段，EGR技術主要分為內部EGR技術和外部EGR技術兩種模式。內部EGR技術是將廢氣在缸內進行循環，其結構簡單、應用方便，但難以精確控制EGR率，因此，目前廣泛采用外部EGR技術。外部EGR技術是將來自排氣管的廢氣經過EGR冷卻器、EGR閥，最后進入氣管重新進入氣缸，通過調節排氣背壓和EGR閥開度來調整進入氣缸的廢氣量[4-7]。EGR冷卻器是外部EGR系統的關鍵部件，其使用性能直接影響到發動機的工作性能[8]。

EGR冷卻器是EGR系統的主要受熱部件，其工作時所受的熱負荷較高，工作環境惡劣[9]。在某款柴油機進行耐久試驗時發生了EGR冷卻器冷卻管的連接板有開裂問題。為了解其裂紋產生的原因，本文以該EGR冷卻器為研究對象，采用流固耦合的數值模擬分析方法計算得到EGR冷卻器的溫度場，并結合試驗臺架加以實測驗證；再以此溫度場作為求解熱負荷的邊界條件，計算得出EGR冷卻器所受到的熱應力，并通過結構改進的方法，最終解決了EGR冷卻器開裂問題。

1　流固耦合基本原理與計算模型

EGR冷卻器的流固耦合計算過程見圖1。首先利用三維軟件對EGR冷卻器進行建模，并在ANSYS ICEM中對其劃分網格，將劃分好的模型導入Fluent軟件計算冷卻器的流場結果，再進入ANSYS Steady-State Thermal將Fluent中解算得到的流固邊界的溫度加載到冷卻器的流固交界面，解算得到冷卻器固體壁面的溫度場和熱通量場，最后在ANSYS Static-Structural中將ANSYS Steady-State Thermal中得到的溫度場加載到固體區域上，并設置相應的約束，計算冷卻器固體區域的熱應力。

圖1　EGR冷卻器流固耦合計算流程

EGR冷卻器流固耦合的傳熱計算關鍵在于計算流體與固體以及流固交界面處熱量傳遞。根據熱力學理論，在冷卻器流固交界面處，固體所傳出的熱量等于流體吸收的熱量。在流體部分，廣泛采用k-ε 湍流模型來計算流體與壁面的對流換熱邊界條件，標準的k-ε 湍流連續性方程為[10]

Gk+Gb-ρ ε-YM+Sk

(1)

式中，ρ為液體密度；k為湍動能；ui為液體流速；μt為渦黏度；μ為黏度；ε為湍動能耗散率；Gk為由平均速度梯度產生的湍流項；Gb為浮力產生的湍流動能；YM為因擴散而產生的湍流；σk為k的湍流普朗特數；Sk為用戶定義的源項。

EGR冷卻器屬于熱彈性模型，彈性體隨著溫度的變化，其內部每個單元之間受到體積的膨脹或者收縮，因而產生熱應變[11]。熱彈性位移方程為

(2)

β=α E/(1-2ν)

2　EGR冷卻器建模與網格劃分

2.1三維建模

本文利用SolidWorks對某款四缸柴油機的EGR冷卻器進行三維建模。冷卻器模型如圖2所示，其中左端作為進氣口與進水口，右端作為出氣口與出水口，整體結構為軸對稱形式。具體相關尺寸如表1所示。

圖2　EGR冷卻器模型

參數名稱參數值進出氣口直徑(mm)30進出水口直徑(mm)15.4冷卻器長度(mm)300冷卻管數40

2.2網格劃分

為了正確模擬EGR冷卻器復雜流場，在一定網格點的條件下，流動參數變化的區域須安排較多網格點。由于EGR冷卻器是軸對稱結構，因此計算時對其作對稱處理，以加快計算速度。本文利用ICEM-CFD軟件對冷卻器的固體、液體和氣體部分劃分網格，網格采用廣泛應用的非結構化四面體形式。氣體與固體、液體與固體之間的接觸表面是計算分析的重點，故對這部分網格進行了細化。圖3為冷卻器整體計算網格圖，共劃分了2 272 506個單元，654 856個節點。

圖3　EGR冷卻器網格

3　EGR冷卻器流場分析

利用Fluent軟件對冷卻器的換熱過程進行計算，計算時選擇標準的k-ε湍流模型；采用分離式求解器，其中壓力和速度耦合采用的是SIMPLE算法，動量方程采用一階迎風差分方程，能量方程采用二階迎風差分方程[11]；本文假定廢氣為空氣，冷卻液為液態飽和水，固體為不銹鋼材料，忽略重力影響。通過試驗來確定進出口的邊界條件，在試驗中設定柴油機轉速為2400 r/min，EGR率開度為15%，柴油機功率為43.2 kW，并通過溫度、壓力和流量傳感器對其進行數據采集。對EGR冷卻器流場計算時，進氣口、進水口采用質量入口邊界條件，出氣口、出水口采用壓力出口邊界條件。具體邊界條件見表2。

表2　邊界條件

通過仿真計算得到冷卻器的廢氣出口平均溫度為495.15 K，與試驗所測得的6組溫度數據的對比情況如圖4所示，由圖可知，廢氣出口的溫度變化不大，并且試驗與仿真結果基本相同，最大誤差在5%以內。因此，此CFD模型可作為流固數值模擬的基礎。

圖4　出口廢氣溫度仿真與試驗對比圖

圖5為冷卻器換熱過程的冷卻效果圖。從圖中可以看出，當廢氣通過冷卻液進口時，廢氣溫度迅速降低，廢氣經過換熱管4/5左右時，廢氣溫度趨于穩定，不再降低。此外，由于冷卻液的比熱容較大，在換熱過程中，冷卻液的溫度變化較平穩。

圖5　冷卻器內部冷卻效果

4　EGR冷卻器溫度場分析

4.1邊界條件

圖6　冷卻液對冷卻器內壁溫度分布的影響

將EGR冷卻器通過CFD計算得到的廢氣和冷卻液熱邊界條件施加到冷卻器模型上，通過有限元方法分析得到冷卻器固體的溫度分布。圖6為冷卻液對冷卻器內壁的溫度分布圖，可以看出冷卻液對固體內壁溫度變化較平穩，溫度分布較為均勻，溫度在340 K左右。由于冷卻液的溫度在整個柴油機運轉時變化不大，故冷卻液單獨對冷卻器的內壁溫度影響并不明顯。圖7為廢氣對冷卻器內壁的溫度分布圖，可以看出高溫集中于冷卻器外殼的進口及冷卻管的進口，此時這部分內壁溫度達到了885 K左右。由于廢氣進口與冷卻管有一段過渡區域并不起冷卻作用，因此這一段區域內壁受到高溫廢氣的作用。在進行換熱過程中，內壁溫度迅速降低，因此在冷卻器內壁上所受的熱量由于冷卻液的作用，其溫度條件瞬間改變，這會對冷卻器整體性能造成一定的影響。

圖7　廢氣對冷卻器內壁溫度分布的影響

該冷卻器使用的材料為不銹鋼，其材料特性如表3所示。

表3　冷卻器材料特性

4.2溫度場計算

依據圖6、圖7所示的邊界條件，可以計算得到冷卻器的溫度場，如圖8所示。從圖中可以看到，冷卻器廢氣進口部分及冷卻管連接板處溫度達到了880 K左右，在進行換熱部分溫度有明顯的下降，廢氣出口部分的溫度為470 K左右。

圖8　冷卻器固體溫度場

5　試驗驗證

采用試驗的方法驗證上述溫度場計算的合理性與準確性。試驗儀器采用紅外溫度測量儀，在冷卻器外表面選取9個點(圖9a)，并與仿真結果進行對比(圖9b)，結果發現試驗結果與計算結果的變化趨勢非常接近，最大誤差為8.56%，在允許的誤差值內，因此仿真結果合理、準確。

(a)冷卻器溫度測量點

(b)仿真與試驗對比圖圖9　冷卻器外表面溫度場

由于冷卻液和廢氣對冷卻器內表面的溫度影響較大，尤其是冷卻器廢氣進口部分及冷卻管連接處溫度變化較大，故在如圖9a所示的“2”點處加裝螺釘式熱電偶，測量冷卻器內壁在廢氣作用下的溫度。試驗結果表明，冷卻器連接板靠近廢氣進口端的溫度約為880 K；另一端由于受到冷卻液作用，溫度迅速降低。試驗結果與仿真結論相吻合，說明仿真具有較高的準確性。

6　EGR冷卻器熱負荷分析

EGR冷卻器工作過程實質是一個換熱的過程，因此冷卻器內部受熱程度不同，溫度分布有較大的差異，換熱管內表面受到高溫廢氣作用，有向外膨脹趨勢；外表面受到冷卻液作用，有向內收縮趨勢，內外表面膨脹收縮的作用使冷卻器產生熱應力。

由圖10所示可以看出，冷卻管連接板處是熱應力較高區域，最大熱應力為1034.4 MPa，與冷卻器實際裂紋處相符。對比固體溫度場分布圖來看，高熱應力區均出現于廢氣與冷卻水初次接觸處，此處溫度變化梯度較大，且又為結構過渡區域，熱應力膨脹系數較不均勻，導致所產生的熱應力較大。

圖10　冷卻器熱應力圖

通過原結構的仿真結果和實際EGR冷卻器發生裂紋的情況對比，對原結構形式做了若干方案的改進。考慮到冷卻管在冷卻器內部布置較緊密，不易做出改進，故對冷卻器外殼增加擾流槽。如圖11所示，方案一是在外殼上增加凹型面，方案二是在外殼上增加兩條凸型槽。兩種改進方案的冷卻器換熱效果均比原結構好，整體熱應力均有所減小，特別是EGR冷卻器連接板處減小明顯。但是仍然存在熱應力相對較大的區域，并超過了冷卻器的屈服極限，最終還會導致開裂問題。

(a)方案一(b)方案二圖11　冷卻器外殼結構改進方案

為此，通過整合方案一及方案二的形式，最終確定如圖12所示的EGR冷卻器外殼形式。

圖12　冷卻器外殼最終結構改進方案

圖13為最終結構冷卻器的冷卻效果圖，廢氣出口溫度在480 K左右，較原結構冷卻效果有所提高，高溫廢氣在冷卻管內貫穿距離縮短。

圖13　冷卻器最終結構冷卻效果圖

圖14　冷卻器最終結構熱應力圖

此外，擾流槽的增加影響了冷卻器外表面的各物理性質，從而影響了內部變形和流動的差異。凸型槽與凹型面上的倒角，由于受到的熱應力不集中，能夠給熱變形提供一定減緩作用。由圖14可知，EGR冷卻器整體熱應力顯著減小，雖然連接板處仍有應力集中區域，但沒有超過冷卻器的屈服極限，其最大應力為911.85 MPa，比原結構減小了11.9%。經過實際應用驗證，改進后的冷卻管連接板不再出現開裂現象。

7　結論

(1)本文采用流固耦合方法對某款EGR冷卻器進行了綜合性能的仿真分析，其中流場及溫度場模擬結果與試驗測量值吻合，說明此方法在實際工程應用中是合理的、可行的。

(2)針對EGR冷卻器因熱應力過大而導致開裂的問題，對其結構進行了若干方案的改進優化，最后通過在外殼表面增加擾流槽的方式，使冷卻器有更好的冷卻效果，還使冷卻器所受的熱應力顯著減小，從而使冷卻器不再發生疲勞破壞，滿足其使用要求。

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(編輯郭偉)

Performance Simulation and Structure Improvement of EGR Cooler

Lu LeiZhang ZhendongYin Congbo

University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093

The poor working conditions of EGR cooler often is due to excessive thermal load and the emergence of structure crack problem, which influences seriously its actual performance. The fluid field, the temperature and thermal stress distribution of cooler were calculated by using computational fluid dynamics and finite element analysis software with fluid-solid coupling thermal analysis technique. The results of calculation well agree with test data and it is concluded that the cracks on EGR cooler are caused by high thermal stress. Accordingly the cooler structure was improved, the outer surface increased turbulence slots. The cooler with that configuration has obviously lower thermal stress and cracks no longer happen again, indicating fluid-solid coupling thermal analysis being an effective way for solving the crack problem of EGR cooler.

exhaust gas recirculation(EGR) cooler; thermal stress; fluid-solid coupling; turbulence slots

2015-03-16

國家自然科學基金資助重點項目(51275309)

TK422DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.016

陸磊，男，1990年生。上海理工大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為內燃機燃油噴射系統及內燃機燃燒與排放。張振東，男，1968年生。上海理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。尹叢勃，男，1981年生。上海理工大學機械工程學院博士后研究人員。