具有鋸齒式內翅片結構的EGR 冷卻器 換熱性能仿真分析

劉叢浩，劉崇，李雙辰，牛俊良，石晶，傘桂權

（1.遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000；

2.錦州聯升汽車零部件有限公司，遼寧 錦州 121000；3.東風朝陽朝柴動力公司技術中心，遼寧 朝陽 122000）

引言

近些年，全世界的排放法規越來越嚴格，因此對發動機排放要求越來越高，而發動機廢氣再循環（EGR, Exhaust Gas Recirculation）技術是一種能夠有效降低 NOx 的重要機內凈化技術。冷卻 EGR 系統以其更優的排放水平已成為滿足排放標準的必要的機內凈化措施，也是國內外汽車發動機滿足排放法規的重要裝備。在發動機燃燒過程中，高溫富氧是 NOx 產生的重要的外部條件。廢氣再循環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，是滿足越來越嚴格的排放法規的關鍵技術之一[1][2]。因此，為減少汽車發動機排放物對環境的污染，滿足日益嚴格的排放法規要求，廢氣再循環系統被廣泛采用[3]。由于EGR 冷卻器的出氣溫度直接影響到發動機的工作性能[4]，必須盡可能提高廢氣再循環冷卻器的冷卻效率[5]，這是冷卻器結構設計的首要目標。

EGR 冷卻裝置主要是通過熱交換的形式實現冷卻降溫的，目前常用的 EGR 冷卻器的設計結構大體上可歸為兩種形式：管殼式與板翅式[6]。其中板翅式冷卻器具有結構緊密、輕巧、傳熱效率高等特點，因此本文也選用板翅式EGR 冷卻器，并包含六組具有鋸齒式內翅片結構的扁管。

1 建模

離散流體動力學（CFD）適用于相關流體力學和熱力學等物理系統的研究，其基本思想為：把時域的連續物理場用一系列的離散變量的集合來表示，建立關于這些離散變量的代數方程組并求解，獲得場變量的近似值。CFD 作為流體基本控制方程的數值解法，可用于模擬復雜流體場內包括速度、壓力、溫度等物理量的分布情況[7]。

對于某流體場中的一個理想流體單元，由質量守恒定律，單位時間內流體單元體中質量的增加等于同一時間間隔內流入該單元體的凈質量，流體質量守恒方程為：

式中：ρ為流體密度，t 為時間，d/dt 為微分算子。

在上述模型假設的基礎上，本文首先在CATIA 軟件內建立三維模型，三維模型如圖1 所示，將建立好的三維模型再導入ANSYS Workbench 下的Geometry 中，之后導入Mesh里劃分網格。網格數量為：13986605；選用材料為：干空氣，液體采用純水；金屬材料采用：316L。

上述冷卻器模型中廢氣運動特性取決于雷諾數，當雷諾數超過2300 時為湍流，否則為層流，雷諾數計算公式為：

式中，ρ是流體密度，v 是流體速度，L 是特征長度，此處取為管內壁直徑。計算得到廢氣的雷諾數大于2300，所以本文在模擬時選用了湍流模型。

圖1 冷卻器三維模型

圖2 冷卻器翅片結構圖

文中初始化時假設EGR 冷卻器內部充滿恒溫冷卻液；各翅片道內廢氣具有理想氣體特性，且各向同性；沿著管道壁面溫度梯度的類似計算產生的平均輸出氣體溫度變化可以忽略。

本文采用邊界條件：氣體入口溫度為640℃，水入口溫度85℃，氣體入口流量為0.024kg/s，水入口流量為0.5kg/s。

2 數值模擬結果分析

圖3 氣體溫度分布云圖

圖4 液體溫度分布云圖

模擬計算結束后，利用ANSYS Fluent 軟件后處理功能可以得到溫度變化云圖，圖3 為模擬得到的板翅式冷卻器氣體溫度變化云圖，由云圖可以清晰的看到各個位置上的溫度變化情況。冷卻器管束各管道的入口處由于熱流集中，溫度升高，出現了溫度場的溫度極大值。

沿著冷卻管長度方向，廢氣溫度逐漸降低，實現了熱能耗散，而冷卻器入口和出口的溫度基本穩定，可見，EGR 散熱元件主要為冷卻器冷卻管。圖4 為冷卻液體溫度分布云圖。

計算EGR 冷卻效率η的公式為[8]：

式中，ti為冷卻器的入口廢氣溫度，to為冷卻器的出口廢氣溫度，tw為冷卻器的入口冷卻水溫度。經Ansys Fluent 后處理分析可知，冷卻器的出口廢氣溫度為145.7℃；出口冷卻水溫度為91.4℃，故經公式（4）計算，此EGR 冷卻器的冷卻效率為89.06%。

3 結論

本文利用板翅式冷卻器來實現對高溫氣體的冷卻，經過建模以及Ansys Fluent 軟件的仿真分析，結果表明，當高溫氣體從內部由六組扁管組成的冷卻器內流過時，冷卻水可以高效率的對高溫氣體實現冷卻效果，經計算，采用6 組扁管并具有鋸齒式內翅片結構的EGR 冷卻器的冷卻效率可以達 到89.06%，冷卻效率比較高，冷卻效果良好。