復(fù)合混流式中冷器性能研究

張博峰，索建秦，王芳蘭

(1.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072；3.西安真鐸科技有限公司，陜西 西安 710077)

目前，中冷器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有中冷器傳熱系數(shù)和熱空氣流過中冷器的阻力，一般性能優(yōu)良的車用空-空中冷器同時(shí)滿足傳熱系數(shù)大和壓力降小兩個(gè)特點(diǎn)[1-2]。

張博峰[3-6]的研究表明，中冷器內(nèi)氣流流動(dòng)均勻性對(duì)中冷器的換熱性能以及可靠性都有著重要的影響，并提出了帶有導(dǎo)流裝置的中冷器和帶有整流裝置的中冷器，仿真分析結(jié)果表明，改善中冷器內(nèi)部流動(dòng)均勻性將帶來更加均勻的內(nèi)部氣流速度分布，從而提高中冷器的可靠性和散熱性能。P. Stephenson[7]的研究表明,中冷器的進(jìn)出口位置和中冷器進(jìn)出氣室的形狀通常都對(duì)氣流的均勻性起著決定性的作用，對(duì)系統(tǒng)的冷卻性能同樣起著重要的作用。

前期的研究表明，空-空中冷器內(nèi)部熱空氣的氣體流動(dòng)均勻性直接影響著中冷器的換熱性能以及可靠性。較好的中冷器進(jìn)氣氣室設(shè)計(jì)使中冷器內(nèi)部氣體流動(dòng)均勻性得到較大提升，從而提高中冷器的性能。但是對(duì)于目前的車輛而言，由于受車輛前艙結(jié)構(gòu)以及布局的約束，車用空-空中冷器內(nèi)部氣流分配不均的問題十分突出。中冷器內(nèi)部氣體流動(dòng)分配均勻性差一般會(huì)產(chǎn)生以下影響：1)容易導(dǎo)致中冷器芯體出現(xiàn)較大的速度以及溫度分布差異，中冷器芯體部分區(qū)域的散熱能力難以有效發(fā)揮，從而使中冷器整體的散熱性能下降；2)不同中冷器散熱管內(nèi)部氣體流速的較大差異容易產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生較大的溫度分布差異，增加中冷器芯體的熱應(yīng)力，進(jìn)而影響中冷器的使用壽命。對(duì)于車用空-空中冷器，完成氣體分配功能的結(jié)構(gòu)主要是中冷器的進(jìn)氣氣室，所以進(jìn)氣氣室的結(jié)構(gòu)對(duì)于中冷器氣體流動(dòng)分配均勻性的影響至關(guān)重要。同時(shí)也有研究表明，在空-空中冷器的進(jìn)氣氣室內(nèi)部設(shè)計(jì)整流裝置或者導(dǎo)流裝置，可以有效提高空-空中冷器的內(nèi)部氣流流動(dòng)均勻性[6]。

基于對(duì)空-空中冷器內(nèi)部氣流的分配均勻性的研究，本研究提出了復(fù)合混流式中冷器結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法和試驗(yàn)方法對(duì)復(fù)合混流式中冷器的性能進(jìn)行了研究。

1 中冷器結(jié)構(gòu)

圖1示出車用空-空中冷器的結(jié)構(gòu)示意，這是一種典型的商用車空-空中冷器，具有以下特點(diǎn)：中冷器的進(jìn)出氣口左右對(duì)稱，進(jìn)出氣口的上下相對(duì)位置偏離中心，中冷器散熱芯體縱向尺寸較大，中冷器氣室擴(kuò)口的橫向距離較小。由于受車輛機(jī)艙空間布置的影響，類似的車用空-空中冷器結(jié)構(gòu)形式十分常見，所以本研究就以這種典型的中冷器結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行中冷器內(nèi)部氣流分布均勻性的研究工作。傳統(tǒng)的空-空管帶式中冷器主要組成部分包括中冷器散熱芯體、中冷器進(jìn)氣氣室、中冷器出氣氣室。氣室與芯體可以焊接為一體，或者是機(jī)械壓裝為一體。中冷器散熱芯體主要組成部分包括主片、散熱管、散熱帶、紊流片、側(cè)板，芯體裝配完成后釬焊為一體。中冷器芯體的參數(shù)見表1。

圖1 中冷器結(jié)構(gòu)示意

表1 中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于前期對(duì)帶導(dǎo)流裝置的中冷器和帶混流裝置的中冷器的研究工作，本研究提出了具有復(fù)合式混流裝置的中冷器。圖2示出復(fù)合混流式中冷器的結(jié)構(gòu)示意。

圖2 復(fù)合混流式中冷器結(jié)構(gòu)示意

由圖2可見，中冷器進(jìn)氣氣室中設(shè)計(jì)有復(fù)合混流裝置，進(jìn)氣室的其他結(jié)構(gòu)未作改變，中冷器出氣氣室保持不變。

為了研究復(fù)合混流式中冷器的內(nèi)部氣流分布均勻性，在進(jìn)氣氣室內(nèi)部安裝了不同的復(fù)合式混流裝置，設(shè)計(jì)了10種中冷器結(jié)構(gòu)模型。氣室的外部結(jié)構(gòu)與原中冷器相同(見圖3a)，僅在中冷器氣室內(nèi)部增加復(fù)合混流裝置(見圖3b)。圖3c示出復(fù)合混流裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置的主體結(jié)構(gòu)是根據(jù)氣室的形狀設(shè)計(jì)而成的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板上開有孔，這些孔可對(duì)通過的氣體進(jìn)行整流。通過調(diào)整復(fù)合式混流裝置上的開孔形狀和開孔率設(shè)計(jì)出了不同的復(fù)合混流裝置，共設(shè)計(jì)了10種復(fù)合混流式中冷器。根據(jù)這些中冷器的結(jié)構(gòu)模型得到每個(gè)中冷器的流體域模型，用于后期的計(jì)算，分析復(fù)合式混流裝置對(duì)中冷器流動(dòng)均勻性的影響，并確定出優(yōu)化中冷器模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 復(fù)合混流式中冷器氣室結(jié)構(gòu)示意

2 仿真分析

2.1 模型定義

本研究采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)空-空中冷器內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真。仿真過程中進(jìn)行了如下假設(shè)：空氣設(shè)定為不可壓縮；湍流模型設(shè)定為RANS算法中的realizable κ-ε模型；固壁面設(shè)定為無滑移邊界。差分格式中，采用標(biāo)準(zhǔn)格式的壓力項(xiàng)，速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流黏性系數(shù)項(xiàng)都采用二階迎風(fēng)格式，定義壓力與速度之間的耦合算法為SIMPIE[2]。本次仿真中的數(shù)學(xué)模型均基于以下的簡(jiǎn)化和假設(shè)：1)工作流體定義為牛頓流體；2)流體為穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)；3)密度差異引起的浮升力以及流動(dòng)時(shí)黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)均忽略；4)流動(dòng)過程中均不發(fā)生相變變化[8]。

2.2 邊界條件定義

此次模擬計(jì)算中的邊界條件見表2。

表2 邊界條件設(shè)置

2.3 評(píng)價(jià)參數(shù)

為了定量地研究空-空中冷器內(nèi)部氣體流動(dòng)的分布情況，將單個(gè)散熱管作為基本的研究單元，對(duì)每個(gè)中冷器散熱管的質(zhì)量流量統(tǒng)計(jì)計(jì)算。通過對(duì)中冷器內(nèi)所有散熱管的質(zhì)量流量計(jì)算分析，從而評(píng)價(jià)中冷器整體的內(nèi)部氣流分布均勻性。為了有效評(píng)價(jià)中冷器內(nèi)部氣流的流動(dòng)均勻性，定義了以下參數(shù)。

(1)

式中：N代表散熱管的總數(shù)量；Gk表示第k個(gè)散熱管內(nèi)的質(zhì)量流量。對(duì)于完全均勻分配的中冷器，每個(gè)散熱管內(nèi)的質(zhì)量流量相同。

2) 質(zhì)量流量偏差Dk。中冷器中第k根散熱管內(nèi)的氣體實(shí)際質(zhì)量流量與平均質(zhì)量流量之間的相對(duì)偏差值。

(2)

(3)

4) 均勻性系數(shù)γ。為了表示中冷器芯體內(nèi)氣體流動(dòng)分布均勻的程度，引入流量均勻性系數(shù)，其表達(dá)式為

(4)

由式(4)定義可知，均勻性系數(shù)γ=1時(shí)，中冷器芯體中所有散熱管的氣體質(zhì)量流量完全相同，沒有差異，此時(shí)中冷器內(nèi)部分布均勻性最好，屬于理想狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)中并不存在。在一般情況下，均勻性系數(shù)1>γ>0，γ的值越接近1，氣流在中冷器散熱管中的分布越均勻，各個(gè)散熱管內(nèi)氣流的質(zhì)量流量差值越小；均勻性系數(shù)的γ值越是接近0，則表示各個(gè)散熱管內(nèi)氣流的質(zhì)量流量差值越大，氣體在中冷器散熱管內(nèi)部的分布越不均勻[10]。

2.4 中冷器流場(chǎng)分析

本研究對(duì)基準(zhǔn)模型中冷器和10種復(fù)合混流式中冷器模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，10種復(fù)合混流式中冷器內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布云圖見圖4。

圖4 復(fù)合混流式中冷器速度分布云圖

2.5 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖5示出不同復(fù)合混流式中冷器的壓降分布情況。從圖5可以看出，模型1中冷器具有最高的壓力降，基準(zhǔn)模型中冷器具有最低的壓力降，而模型4至模型10中冷器的壓力降數(shù)值比較接近。

圖5 復(fù)合混流式中冷器壓降對(duì)比

圖6示出均勻性系數(shù)對(duì)比情況。由圖6可見，模型7具有最高的均勻性系數(shù)，基準(zhǔn)模型的均勻性系數(shù)最低。

圖6 復(fù)合混流式中冷器均勻性系數(shù)對(duì)比

根據(jù)對(duì)圖5和圖6的分析可知，模型7中冷器用較少的阻力值增加換來了較多的均勻性系數(shù)增加。相比基準(zhǔn)模型中冷器，采用了復(fù)合式混流技術(shù)的模型7中冷器的平均質(zhì)量流量偏差從36.35%降低到了9.87%，均勻性指數(shù)從81.82%提高到了95.06%，中冷器內(nèi)部的流動(dòng)均勻性得到了極大的提高。但是同時(shí)壓降從3.849 kPa提高到了5.667 kPa，中冷器阻力增加了1.818 kPa。根據(jù)目前的分析，模型7具有最好的流動(dòng)均勻性，所以選擇模型7作為優(yōu)化模型中冷器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 中冷器風(fēng)洞試驗(yàn)

利用散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)裝置對(duì)基準(zhǔn)模型中冷器和優(yōu)化中冷器進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試中冷器的性能，從而得到優(yōu)化后中冷器的性能提升效果。

表3示出試驗(yàn)用中冷器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。表4示出基準(zhǔn)模型與優(yōu)化中冷器的壓降對(duì)比，在熱側(cè)流量0.2 kg/s，0.35 kg/s，0.56 kg/s時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中冷器壓降分別增加了0.03 kPa，0.04 kPa，0.12 kPa。

表3 中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 中冷器壓降對(duì)比

表5示出基準(zhǔn)模型與優(yōu)化模型中冷器的溫升(中冷器出口溫度與環(huán)境溫度的差值，用于間接評(píng)價(jià)中冷器的散熱能力)對(duì)比。在熱側(cè)流量0.2 kg/s，0.35 kg/s，0.56 kg/s時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中冷器進(jìn)氣溫升分別降低了0.81 ℃，0.69 ℃，2.67 ℃。

表5 中冷器溫升對(duì)比

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試中冷器壓降、中冷器進(jìn)氣溫升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將風(fēng)洞試驗(yàn)得到的中冷器阻力和溫度數(shù)據(jù)代入關(guān)聯(lián)關(guān)系式，得到中冷器性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最終影響，從而可以對(duì)優(yōu)化中冷器做出綜合性能評(píng)價(jià)。

發(fā)動(dòng)機(jī)型式為直列6缸、高壓共軌、增壓中冷。表6示出發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架中發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)。圖7示出發(fā)動(dòng)機(jī)功率與中冷器進(jìn)氣溫升之間的變化關(guān)系。由圖可知，中冷器溫升與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化基本呈線性關(guān)系。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

圖7 中冷器進(jìn)氣溫升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

圖8示出發(fā)動(dòng)機(jī)功率與中冷器壓降之間的變化關(guān)系。由圖可知，中冷器壓降與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化基本呈線性關(guān)系。

圖8 中冷器進(jìn)氣壓降對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并找到最合適的函數(shù)關(guān)系。由于各設(shè)備可調(diào)范圍有限，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中所采集的數(shù)據(jù)也很有限，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所形成的函數(shù)關(guān)系式均顯示為線性關(guān)系。

得到的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的線性擬合函數(shù)關(guān)系式見表7，發(fā)動(dòng)機(jī)功率用y表示，中冷器溫升用x1表示，中冷器壓降用x2表示。

表7 擬合函數(shù)

表8示出在不同工況下，將基準(zhǔn)模型中冷器換為優(yōu)化模型的中冷器以后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化情況。由表8可見，對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，將基準(zhǔn)模型中冷器換為優(yōu)化模型的中冷器以后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率均增加，增加0.4%～0.46%，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表8 功率對(duì)比

4 結(jié)束語

a) 根據(jù)CFD分析可知，復(fù)合混流式中冷器相比基準(zhǔn)模型中冷器，流量均勻性系數(shù)提高了13.24%，阻力增加了1.718 kPa；

b) 根據(jù)中冷器風(fēng)洞試驗(yàn)可知，優(yōu)化模型中冷器與基準(zhǔn)模型中冷器相比，阻力增加0.12 kPa，中冷器溫升降低了2.67 ℃，中冷器冷卻效率提升了1.41%;

c) 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)可知，在相同的工況條件下，將基準(zhǔn)模型中冷器更換為優(yōu)化結(jié)構(gòu)中冷器，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加0.4%～0.46%。