基于CFD的中冷器內阻計算

于海燕

（上海馬勒熱系統有限公司，上海 201206）

關鍵字：中冷器；CFD；內阻

1 緒論

隨著汽車工業的發展，非再生資源的緊缺、環境污染的日益嚴重，人們越來越關注汽車尾氣污染等排放問題，不再僅僅滿足于汽車動力性能和燃油經濟性能的提高，同時國家對汽車排放標準的要求也越來越嚴格，發動機排放性能己經成為汽車設計中一個重要指標。增壓中冷系統不僅可以提高發動機功率，還能夠顯著地降低污染物，對于改善和優化發動機的動力性、經濟性和排放性能具有重要的意義。但是增壓后的空氣由于溫度較高，不宜直接進入燃燒室，因此帶廢棄渦輪增壓的車型都會配備中冷器對增壓后的空氣進行冷卻。但是中冷器會增加空氣阻力，使增壓空氣的壓力下降，導致增壓效果減小，發動機響應變慢。所以除換熱性能之外，中冷器的內阻也是一個重要指標，但在由于空氣的流場較為復雜，在前期設計時，很難精確計算中冷器的內阻，不能確定設計方案能否滿足客戶要求。因此，在設計方案階段，通過CFD方法模擬中冷器的內阻是一種常用方法。

2 原理分析

本文主要針對風冷式的中冷器進行分析，風冷式中冷器一般主要是由散熱管、翅片和進出氣室組成，如圖1。

從圖1可知，首先經過渦輪增壓器后的高溫氣體通過管路進入中冷器氣室，氣體通過氣室擴散流入與氣室相連接的扁管內，為增加內部擾流作用，扁管內一般還有內翅片，同時，扁管外部還有外翅片，這些都能保證管內高溫氣體能夠很好的換熱，高溫氣體經過扁管冷卻后進入出氣室，然后整過整流后流出中冷器經管路進入發動機。

而中冷器內部增壓空氣的壓力損失是中冷器的重要考核指標，熱側壓力損失，包括換熱扁管內的摩擦阻力損失、熱側冷卻管進口和出口處流體因流通截面變化突然收縮和突然膨脹引起的附加壓力損失，即總的壓力損失可如下表達[1]：

上式中：

△P1為中冷器熱側入口處的壓力降；

△P2為中冷器熱側出口壓力回升；

△P3為中冷器熱側內部芯子的壓力降；

由于本公司的中冷器的芯子部分為標準設計，因此，在考慮設計方案時，芯子設計從數據庫中選取，因此，芯子部分的壓力優化空間較小，在設計主要考慮進氣室和出氣室壓力降的優化。

因此本文主要是通過CFD方法，通過優化氣室形狀，來降低中冷器的內阻。

3 仿真分析方法

3.1 模型的建立及描述

本文主要研究的是中冷器的結構對內部高溫高壓氣體造成的壓力損失，也就是通常所說的內阻，利用STARCCM+軟件對所設計的中冷器芯體和氣室進行模擬計算，得到其進出口之間的壓力損失，并通過流場進行分析，找出影響中冷器內阻的主要原因，然后進行分析，根據分析結果進行優化，進一步降低壓力損失，來滿足客戶要求。本文主要是將模型劃分為三部分：進氣室、芯體和出氣室。

3.2 網格的劃分

網格劃分是CFD計算中的必不可少的一個環節，同時網格的質量好壞也對計算有很大的影響，所以CFD計算一定要保證網格質量，才會保證計算結果精確。本文所有數值模型的離散網格均采用了六面體與H棱柱相結合的整體網格，考慮到結構不同，將氣室和芯子分別劃分網格，中冷器管子結構采用六面體網格，進氣管路和出氣管路也采用六面體網格，并劃分邊界層；而中冷器進、出氣室由于結構不規則，對其采用適用性強、適于復雜結構問題的四面體網格。

3.3 邊界條件及物理模型

在數值計算過程中，邊界條件的設定是一個十分重要的因素，給定的邊界條件正確與否將直接影響結果的正確性。本文所需要的邊界條件有流體域入口邊界和出口邊界、流固壁面邊界、固體域壁面邊界。

進口邊界條件一般按照客戶給定條件，設定壓力和質量流量，同時為了考了空氣密度隨溫度的變化，要給定相應的入口溫度。

對于出口的邊界條件一般給定出口靜壓，一般考慮為大氣壓力。對于芯子部分的條件，由于本公司有相應的二維軟件對芯子部分的阻力進行模擬，所以一般是將芯子部分看作多孔介質，賦予其阻力曲線。

4 模擬計算結果及分析

4.1 管徑對內阻的影響

針對某中冷器，根據客戶要求改變不同的進出管口直徑對內阻要求進行分析，從圖2中內阻占比來看，因為管口增大，氣室部分阻力降低，另外，從分布上看，進口側的阻力要遠大于出口側阻力，這也說明了改變進口側的直徑對內阻的影響要大于出口側的直徑變化。

圖2 不同管徑的內阻占比

另外，從速度的分布來看，僅僅是改變管口，對流場的分布影響不是很大，如圖3和圖4的對比可以看出，管口的直徑的變化并沒有對流場進行較大的改變，影響流場分布的主要是氣室形狀。

圖3 D=45mm

圖4 D=50mm

計算結果：

如表1中計算結果，僅僅是將管口直徑從45mm增加到50mm，內阻就從5669Pa降低到4392Pa，內阻降低了22%，這也說明了管口直徑對內阻的影響很大，如果內阻要求比較高的情況下，管口直徑需要盡量做大，這樣才能最大程度上優化內阻。

表1 CFD模擬結果

4.2 氣室形狀對內阻的影響

針對某項目的中冷器，在滿足性能的情況下，內阻偏高，但芯子部分設計已經確定，所以只能調整氣室部分的內阻，通過圖4可以看出，氣室內流速分布不均勻，流阻偏大，解決方案是優化氣室形狀，降低內阻，圖5是優化后的CFD分析結果，通過對比可以看出，優化后的氣室內流速分布更加均勻，因此，阻力也較小，通過模擬對比結果，優化后內阻從6986Pa降低到6601Pa，降低了5.5%。

圖4 優化前氣室流場分布

圖5 優化后氣室流場分布

5 結論

通過分析，我們可以看出，在項目的開發階段，通過CFD分析，模擬中冷器的內阻，并且可以對阻力進行優化，使用CFD分析方法更加方便快捷，這樣可以節約項目開發時間，并且節省了做樣件驗證性能的過程，成本上也有節約。