基于Fluent的管式EGR冷卻器性能分析

洪洋

摘要：針對管式EGR冷卻器性能難以預測的問題，基于Fluent對EGR冷卻器進行性能分析，得出出氣溫度、氣側(cè)背壓、換熱功率、各冷卻管流量、冷卻芯體溫度分析、氣側(cè)流線等數(shù)據(jù)，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比。對比結果顯示：基于Fluent的管式EGR冷卻器分析可有效預測冷動器的各項性能，可為管式EGR冷卻器設計提供重要參考。

Abstract： Aiming at the unpredictable problem of the performance of tubular EGR cooler，performance analysis is taken based on Fluent to get the data of Outlet temperature， gas side back pressure， heat transfer power， flow rate of each cooling pipe， temperature analysis of cooling core， gas side streamline， and the analysis data were compared with the test data. the results show that the performance analysis based on Fluent can effectively predict the performance of the cooler and provide an important reference for the design of tubular EGR cooler.

關鍵詞：Fluent;管式EGR冷卻器;性能分析

Key words： Fluent;tubular EGR cooler;performance analysis

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0068-03

0? 引言

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）將柴油發(fā)動機部分排氣再送回氣缸，破壞NOX高溫富氧的生成環(huán)境，從而使柴油機NOX的排放有效降低[1]。

EGR冷卻器是冷卻發(fā)動機廢氣的核心部件，經(jīng)EGR冷卻器再次進入發(fā)動機的廢氣有一定的溫度要求，溫度太高不能有效降低NOX的生成，太低會出現(xiàn)水蒸氣冷凝[2]。目前，管式EGR冷卻器在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中得到了廣泛應用，相比于板式EGR冷卻器具有結構簡單、造價低和高壽命的特點。傳統(tǒng)的管式EGR冷卻器的設計是基于工程人員的經(jīng)驗，對于不同結構EGR冷卻器在不同工況下的性能無法準確地評估，從而浪費研發(fā)費用，耽誤研發(fā)周期[3-4]。

本文以某柴油機管式EGR冷卻器為研究對象，采用流體分析軟件Fluent軟件進行性能分析，最終產(chǎn)品順利通過性能試驗。

1? EGR性能要求

本文所研究的某柴油機為直列四缸發(fā)動機，排量4.0L，額定轉(zhuǎn)速2400rpm。根據(jù)客戶空間約束，設計有EGR冷卻器外觀如圖1所示。

EGR冷卻器由進氣端蓋、出氣端蓋、進水管、出水管及固定支架組成，客戶性能要求如表1所示。

2? 計算模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)空間邊界與性能要求，EGR冷卻芯體使用36根長度308mm、直徑7mm的螺旋管進行冷卻，采用6×6的形式排列，從左到右按列對冷卻管進行編號，如圖2所示。

根據(jù)EGR冷卻器的三維數(shù)據(jù)，抽取內(nèi)部流場邊界，并導入網(wǎng)格處理軟件ANSA進行網(wǎng)格處理，面網(wǎng)格使用三角形網(wǎng)格，體網(wǎng)格均使用四面體網(wǎng)格，同時為了保證芯體部分的計算精度，在芯體部分進行了加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為267萬，如圖3所示。

3? 流體計算及結果分析

3.1 流體計算

將網(wǎng)格導入Fluent軟件進行流體計算，由于冷卻器內(nèi)部氣體與液體流速均較低，故使用基于壓力的定常求解器進行求解，同時為了保證計算的精度，使用二階迎風格式進行壓力、速度、溫度的耦合計算，模型選用k-ε湍流模型[5]，并根據(jù)性能要求的工部設置邊界條件，進行6000步的迭代計算，如圖4所示。

3.2 結果分析

表2為EGR冷卻器的性能評價，由圖中可知在額定工況下，EGR冷卻器的出口溫度為165℃，氣側(cè)背壓為1.9 kPa，換熱功率為5.6kW，均滿足客戶的性能要求。

通過流體分析，可得各冷卻管的流量如圖5所示，數(shù)據(jù)顯示管10和管17的廢氣流量較大，管13的流量最小，但各管的流量比較均勻，流量差小于5%，符合設計要求。

圖6為冷卻芯體的溫度云圖，圖中可知冷卻芯體整體溫度分布均勻，無大面積的低溫區(qū)及高區(qū)的存在，在冷卻液入口處存在低溫區(qū)，在遠流冷卻液入口處存在小面積的高溫區(qū)，符合設計要求。

圖7為EGR冷卻器氣側(cè)流線圖，圖中可知在進氣端蓋處氣體流線分布均勻，無明顯的紊流、回流現(xiàn)象，符合設計要求。

綜上，基于Fluent的性能分析顯示，該EGR冷卻性能各項指標均達到設計要求。

3.3 試驗驗證

為了驗證基于Fluent的性能分析的準確性，使用EGR綜合性能試驗臺進行放熱性能試驗（見圖8）。

EGR放熱性能試驗顯示，EGR冷卻器的出氣溫度為161℃，氣側(cè)背壓為1.8kPa，換熱功率為5.66kW，分析結果與試驗結果誤會差約3%，符合工程預期。

4? 結論

基于Fluent對EGR冷卻器流體分析可有效預測EGR冷卻器的出氣溫度、氣側(cè)背壓、換熱功率等性能數(shù)據(jù)，還可對難以檢測的EGR冷卻器各冷卻管的流量、冷卻芯體的溫度分析、氣側(cè)流線等數(shù)據(jù)進行直觀展示。

參考文獻：

[1]賀捷，賀良國.EGR冷卻器對柴油機NOX排放的影響[J].內(nèi)燃機與配件，2021（03）：38-39.

[2]楊季旺，龐華廷，劉叢浩，杜憲峰，牛俊良，劉崇.EGR冷卻器液側(cè)沸騰特性及流量參數(shù)優(yōu)化研究[J].汽車實用技術，2020，45（21）：98-99，135.

[3]吳海燕.EGR冷卻器結構與性能優(yōu)化[D].遼寧工業(yè)大學，2019.

[4]韓占忠.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[5]吳江，張振東，尹叢勃，陸磊.柴油機EGR冷卻器綜合性能分析及改進[J].柴油機設計與制造，2015，21（03）：5-8.