EGR冷卻器氣體均勻性數值模擬

洪洋，林龍，謝吳一，胡群英

(1.臺州科技職業學院，浙江臺州 318020；2.浙江邦得利環保科技股份有限公司，浙江臺州 317000)

0 引言

廢氣再循環(EGR，Exhaust Gas Re-circulation)技術是將內燃機在燃燒后排出氣體的一部分分離并導入進氣側使其再度參與燃燒的技術，可以有效地降低發動機原始NOx排放值，同時具有成本低、使用便捷、對原機改動小的特點[1]，是滿足柴油機國五排放標準的關鍵技術之一。EGR技術中的核心部件為EGR冷卻器，它具有將廢氣冷卻并重新導入進氣側的作用。當進入EGR冷卻器各冷卻管的氣體不均勻時，EGR冷卻器的換熱性能會明顯下降，同時背壓會有一定程度的上升，并惡化發動機的燃油經濟性。同時，由于EGR冷卻器的氣體不均勻會導致冷卻管溫度梯度過大從而產生熱應力，導致EGR冷卻器的壽命大大降低。此外，楊俊偉等[2]研究表明EGR分配不均會對各缸燃燒速度產生影響，金暉等人[3]也發現EGR分配均勻性對發動機油耗有直接的影響。文中利用數值模擬的方法對某柴油機EGR冷卻器多種進氣方案進行分析對比，為EGR冷卻器的設計提供參考。

1 數學模型

EGR冷卻器內部的流動為三維定常湍流流動，故在Fluent軟件中選用k-ε湍流模型進行計算。k-ε湍流模型是一個半經驗公式，主要基于湍流動能和擴散率，因而只對完整的湍流流場有效，方程如式(1)和式(2)所示[4]。

(1)

(2)

式中：Gk表示由層流速度梯度而產生的湍流動能;Gb是由浮力產生的湍流動能;Yk是由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；C1ε、C2ε、C3ε是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數;Sk和Sε為用戶定義。

熱量傳遞方式有導熱、對流和輻射3種，而EGR冷卻器內部絕大部分熱量傳遞是氣側與液側的對流。在Fluent軟件中，熱量傳遞的計算需要激活能量方程，通過能量源項來計算熱量傳遞過程。

2 計算模型及網格劃分

案例EGR冷卻器滿足國五階段排放法規，發動機排量為3.0 L。根據發動機空間邊界與性能參數，利用Pro/E三維設計軟件完成EGR冷卻器的建模(如圖1所示)，形成外殼、水管、進氣端蓋、出氣端蓋等實體模型，芯體(如圖2所示)由7個板翅式冷卻管組成，是冷卻器的核心零件，冷卻管按從左到右按1到7編號。由于氣體入口與冷卻器成90夾角，嚴重影響氣體均勻性，故根據經驗設計多種進氣端蓋方案(如圖3所示)，從而提升EGR冷卻器氣體均勻性。

圖1 EGR冷卻器結構示意圖

圖2 EGR冷卻器芯體

圖3 各方案的進氣端蓋

根據各EGR冷卻器方案實體模型，抽取內表面形成氣側與液側的流道模型(如圖4所示)，并導入行業流行的網格處理軟件ANSA進行模型處理。由于冷卻器內部結構復雜，故網格劃分采用三角非結構網格(Triangle Mesh)，同時為了保證冷卻器內各細微處的計算精度，在EGR冷卻器芯體等關鍵部位進行網格加密處理，并在冷卻器各個進出口有一定的延長，防止出現回流等現象，提升收斂速度。以方案一為例，CFD網格如圖5所示，網格總數約198萬，其中面網格約24萬，體網格約174萬。

圖4 氣側與液側的流道模型

圖5 CFD網格模型

3 計算模型及邊界條件

3.1 計算模型

EGR冷卻器氣側與液側流速較低，故使用基于壓力的定常求解器進行計算。為了保證計算精度，選用可實現型k-ε雙方程湍流模型，采用SIMPLE算法進行壓力與速度耦合，并采用二階迎風格式獲得更高的精度與更穩定的耦合結果[4]。

3.2 邊界條件

(1)入口邊界條件。設置氣側、液側入口為質量入口邊界條件，氣體流量為90 kg/h，溫度為600 ℃，液側流量為15 L/min，溫度為80 ℃，入口壓力根據實際工況設置，同時設置相應的湍流強度與水力直徑。

(2)出口邊界條件。設置為壓力出口，出口壓力為0。

4 計算結果及分析

4.1 評判指標

研究EGR冷卻器氣體均勻性，必須使用合適的評判指標，才能找到最優的進氣方案。文中使用以下評判指標對氣體均勻性進行評價：

(1)冷卻管的質量流量及差異率。通過各冷卻管的質量流量是EGR冷卻器的氣體均勻性的直接體現，并使用平均流量差異率M平均與最大流量差異率M最大對氣體均勻性進行定量評判。

(3)

(4)

式中:Mi是第i根冷卻管的流量;Mavg是各冷卻管平均流量；Mtotal是各冷卻管總流量。

(2)冷卻管入口壓力。氣體流動由壓力差產生，冷卻管的入口壓力能有效地反映冷卻管入口處的流動情況。

(3)氣側阻力。EGR冷卻器氣側流動由兩側壓力差產生，過大的氣側阻力會導致進入EGR冷卻器的氣體過少，影響排放性能。

(4)氣側流線。流線是同一時刻不同流體質點所組成的曲線，它能有效地反映不同質點的流速方向，直觀地體現EGR冷卻器的氣體均勻性。

4.2 冷卻管的流量及差異率

圖6為該EGR冷卻器在各進氣端蓋方案下冷卻管的質量流量。從圖中可知：各方案質量流量分布趨勢一致，均承現“兩邊高，中間低”的現象，其中管3與管4流量最少，管1與管7流量較大。各方案中，方案一與方案二兩側流量與中間流量差異明顯，流量曲線承現“U”形分布，方案三與方案四流量曲線承現“W”形分布，兩側流量與中間流量差異較小。圖7為各冷卻管流量與平均流量的差異率，方案二中的管7差異最大，約為22.1%，方案四各管流量分布最均勻，各管差異率均小于10%。

圖6 各冷卻管質量流量 圖7 各冷卻管流量差異率

根據式(3)與式(4)，計算出4個方案的平均流量差異率與最大流量差異率分別如圖8與圖9所示。從圖中可知，無論是平均流量差異率還是最大流量差異率，方案四較其他方案均為流量分布最均勻的方案。

圖8 各冷卻管平均流量差異率 圖9 各冷卻管最大流量差異率

4.3 冷卻管入口總壓云圖

圖10為各方案冷卻管入口總壓云圖。從圖中可以發現，各方案總壓分布差別明顯：方案一氣體均勻性最差，氣體主要集中在冷卻管下部，導致下部流速較高，冷卻管殼溫度較高，與上部溫度梯度較大，極易產生熱應力，導致產品失效；方案二、方案三總壓分布較均勻，氣體均勻性有一定提升；方案四總壓分布最均勻，高壓區主要分布在入口中部，分布均勻，溫度梯度較小。

圖10 冷卻管入口總壓云圖

4.4 氣側阻力

EGR冷卻器的氣側阻力是評價EGR冷卻器性能的重要指標，過高的氣側阻力會導致EGR率過低，影響發動機的排放性能。圖11是EGR冷卻器各進氣方案的氣側阻力值。由圖中可知：在該工況條件下，各方案氣側阻力分別是1 101、1 027、985和924 Pa，呈遞減趨勢，與冷卻管流量差異率分布大致相同，因此較低的流量差異率可以降低氣側阻力。

圖11 各方案氣側阻力

4.5 氣側流線

圖12為各方案氣體入口到內部芯體以速度為著色模式繪制的氣側流線圖。可以發現：各方案流速最大處均位于氣體入口處，之后沿進氣端蓋形狀進行擴散，不同的端蓋形狀直接導致不同的擴散結果，方案一與方案二氣體至冷卻管入口后主要集中在下部，方案三與方案四由于端蓋的引導，向冷卻管中部擴散，明顯提升氣體均勻性。圖12氣側流線與圖10冷卻管入口總壓云圖相對應，氣體集中處總壓較高。同時，在方案一、二中，氣體在進氣端蓋內出現了明顯的紊流現象，而在方案三、四中，氣體流動平順，無明顯紊流現象。

圖12 各方案氣側流線圖

5 結論

(1)EGR冷卻器進氣端蓋的形狀會顯著影響各冷卻管的質量流量及流量差異率，在設計時應盡量利用進氣端蓋的形狀引導氣體均勻擴散到各冷卻管中，降低流量差異率；

(2)不當的EGR冷卻器進氣端蓋設計會導致各冷卻管進氣處總壓分布不均勻，導致氣體流量集中，產生熱應力，引起產品失效；

(3)EGR冷卻器進氣端蓋的形狀會影響冷卻器氣側阻力，較低的流量差異率可以降低氣側阻力；

(4)EGR冷卻器進氣端蓋的形狀會顯著影響氣體擴散形式，良好的進氣端蓋設計可以使氣體流動平順，消除氣體流動的紊流現象，提升氣體均勻性。