CFD技術(shù)在中冷器氣室結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用

吳兆亮　侯海焱　王劍

摘 要：以空冷式中冷器為研究對(duì)象，針對(duì)中冷器氣室的內(nèi)腔和內(nèi)部加強(qiáng)筋做參數(shù)幾何建模，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)幾何模型進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的三維仿真模擬，計(jì)算中冷器內(nèi)部的流動(dòng)阻力損失和中冷器芯體里每一根扁管的流量，進(jìn)而得到了整個(gè)中冷器的壓力損失和流動(dòng)平衡性。研究結(jié)果表明：中冷器氣室內(nèi)部加強(qiáng)筋無(wú)論如何布置都會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)起到阻礙作用，進(jìn)而提高流動(dòng)阻力;沿流動(dòng)方向平行布置加強(qiáng)筋對(duì)內(nèi)部壓降最好;加強(qiáng)筋的角度會(huì)影響內(nèi)部流動(dòng)平衡性。中冷器氣室的內(nèi)腔大小會(huì)直接影響內(nèi)部壓降，內(nèi)腔越小會(huì)導(dǎo)致氣體流速越高，氣室內(nèi)部的壓力損失越大;但是局部?jī)?nèi)腔的減小可以提高氣體流速，對(duì)于某些中冷器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)提高流速可以改善芯體的流動(dòng)均勻性。

關(guān)鍵詞：中冷器 CFD FLUENT 壓力損失 流動(dòng)均勻性

1 引言

渦輪增壓技術(shù)這些年已經(jīng)在很多車(chē)型上得到廣泛應(yīng)用并已成為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)空氣進(jìn)入渦輪增壓后其溫度會(huì)大幅升高，密度會(huì)相應(yīng)降低。中冷器正是起到了冷卻空氣的作用，高溫增壓空氣經(jīng)過(guò)中冷器的冷卻，再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，則會(huì)因空氣溫度過(guò)高而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損毀。如圖1是常見(jiàn)的帶渦輪增壓的中冷器工作原理圖。

目前影響中冷器系統(tǒng)表現(xiàn)除了換熱性能以外還有壓力損失和流動(dòng)均勻性兩大指標(biāo);增壓空氣流過(guò)中冷器會(huì)產(chǎn)生壓力損失，這會(huì)抵消一部分增壓作用，同時(shí)帶來(lái)渦輪遲滯效應(yīng)。中冷器內(nèi)部流量分布均勻性差會(huì)導(dǎo)致中冷器芯體出現(xiàn)局部高流速低溫區(qū)和局部低流速高溫區(qū)，熱應(yīng)力更加集中，冷卻能力也難以發(fā)揮，同時(shí)影響了中冷器的換熱能力和使用壽命。所以中冷器氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接決定了中冷器的氣室壓力損失和內(nèi)部氣流分配的均勻性。

我們通過(guò)借助計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）的技術(shù)，對(duì)中冷器進(jìn)行仿真模擬，得到大量的流動(dòng)壓力數(shù)據(jù)和氣體流量分布數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)的分析對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少了樣件制作和臺(tái)架試驗(yàn)的員工工作量和費(fèi)用支出。

2 中冷器數(shù)值模擬與分析

2.1 CFD仿真簡(jiǎn)介

CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算流體力學(xué)，它主要就是借助流體控制方程對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析。我們選擇FLUENT作為模擬分析工具，如圖2為典型的CFD分析工作流程。

CFD的仿真過(guò)程主要由前處理、求解器、后處理構(gòu)成。前處理就是根據(jù)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行幾何建模的過(guò)程，同時(shí)也需要對(duì)模型進(jìn)行離散化處理。求解器的作用是設(shè)置相關(guān)的邊界條件并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行模擬。后處理主要是對(duì)模擬結(jié)果的分析過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程可以很容易地得到相關(guān)模型的場(chǎng)分布及相關(guān)參數(shù)，以便于可視化研究。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文的研究對(duì)象為空冷式中冷器，其內(nèi)腔模型如圖三所示。從模型來(lái)看，中冷器內(nèi)腔分為三個(gè)部分，分別是進(jìn)口氣室，扁管芯體和出口氣室。由于中冷器實(shí)際產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抽出的內(nèi)腔模型存在大量的薄片體，而這些薄片體在生網(wǎng)格的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)體積網(wǎng)格，最終會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。所以我們?cè)趯?shí)際操作中會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除這些薄片體。因?yàn)橐芯績(jī)?nèi)部加強(qiáng)筋和內(nèi)腔的設(shè)計(jì)對(duì)壓力損失和流量分布的影響，所以我們做了4版不同參數(shù)組合的模型用于仿真研究。（左上為模型1，右上為模型2，左下為模型3，右下為模型4）

本文選用較普遍使用的非結(jié)構(gòu)化蜂窩狀多面體網(wǎng)格，并對(duì)不同區(qū)域的網(wǎng)格做不同的設(shè)置操作。對(duì)于主要研究的氣室內(nèi)腔采用加密網(wǎng)格，而對(duì)于多孔介質(zhì)設(shè)置的扁管采用拉伸網(wǎng)格，最終的網(wǎng)格如圖4所示。選用非結(jié)構(gòu)化蜂窩狀多面體網(wǎng)格因?yàn)樗纳伤俣瓤欤?jì)算機(jī)工作負(fù)荷相對(duì)較小，而且最終網(wǎng)格與實(shí)際模型更加貼切，結(jié)果更準(zhǔn)確。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

我們的模擬過(guò)程中假定空氣是不可壓縮的，湍流模型為RANS算法中的realizable k-E湍流模型，滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。在差分格式中，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式，速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流粘性系數(shù)項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，壓力與速度之間的耦合算法為SIMPLE。數(shù)學(xué)模型基于以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：1）工作流體為牛頓流體 2）流體處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài) 3）忽略重力作用。

在設(shè)置邊界條件時(shí)，入口采用質(zhì)量流量入口條件，出口采用壓力出口條件，介質(zhì)增壓空氣的物性參數(shù)設(shè)置為160度下空氣的密度和粘度，氣室邊界設(shè)置為無(wú)滑移速度邊界條件;在入口/出口邊界條件設(shè)置中，還需要設(shè)置湍流強(qiáng)度和水力直徑，也即當(dāng)量直徑。

在對(duì)計(jì)算域的流場(chǎng)進(jìn)行初始化操作后，即可進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算過(guò)程如下圖5所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 壓降和流場(chǎng)云圖分析

中冷器的CFD模擬結(jié)果如表一所示。通過(guò)結(jié)果可以看出模型1和模型2的壓力損失要比模型3和模型4小，而模型1和模型2的壓力損失基本在同一水平;模型3和模型4的壓力損失基本在同一水平。針對(duì)中冷器氣室內(nèi)部加強(qiáng)筋做長(zhǎng)度和角度的微調(diào)，對(duì)于最終的壓降結(jié)果沒(méi)有明顯影響。而對(duì)于中冷器氣室內(nèi)腔容積做調(diào)整，對(duì)于最終的壓降結(jié)果影響較大。

通過(guò)對(duì)中冷器模型的速度云圖切面進(jìn)行分析可以看到，在圖7中模型1和模型2的速度強(qiáng)度明顯低于模型3和模型4中的氣流速度強(qiáng)度;在中冷器進(jìn)口空氣流量一定的情況下，中冷器的內(nèi)腔容積越大，則相對(duì)的氣體流速越小。因?yàn)榱魉?流量/截面積，更大的內(nèi)腔容積帶來(lái)更小的氣體流速;而換熱器阻力損失與速度的平方呈正比關(guān)系，所以氣體流速越小換熱器的壓降越小。

2.3.2 芯體流動(dòng)均勻性分析

對(duì)于中冷器的流動(dòng)均勻性分析，我們采用均勻度指數(shù)Uniformity Index來(lái)評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)指標(biāo)是Weltens等建立的一種流場(chǎng)速度均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基于統(tǒng)計(jì)偏差定義，能夠反映流通截面的流體速度分布特性。Uniformity Index的數(shù)值在0～1之間，Index=0表示流體僅從一個(gè)測(cè)點(diǎn)通過(guò);Index=1表示最理想的流動(dòng)情況，即截面的速度完全均勻分布。Uniformity Index的計(jì)算公式如下：

r=1-

公式中，Γ=速度均勻性系數(shù);

n=入口截面面單元個(gè)數(shù);

Vmean=入口截面面平均速度;

Vlocal=入口截面各面單元平均速度;

在本文的研究中可以將均勻度指數(shù)公式簡(jiǎn)化，數(shù)值上把原公式的平方開(kāi)根號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)換為取絕對(duì)值，結(jié)果保持不變。最終計(jì)算公式如下：

Uniformity Index=1-

在模擬中冷器的多孔介質(zhì)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，速度方向均沿多孔介質(zhì)的厚度方向，流動(dòng)設(shè)定為層流，在設(shè)定增壓空氣流量下的流動(dòng)分布模擬結(jié)果如下圖8所示。

通過(guò)流量分布的偏差分析可以看出，由于進(jìn)出口位置都在中冷器下方的緣故，流量在最后幾根扁管處最大，逐漸向上呈遞減的趨勢(shì)。其中流量在第25根扁管附件有一個(gè)低谷的主要原因是進(jìn)口氣室處的加強(qiáng)筋對(duì)流動(dòng)起了一個(gè)阻礙作用導(dǎo)致加強(qiáng)筋附近的流量異常波動(dòng)。對(duì)比均勻性指數(shù)數(shù)值如下表2所示。

由結(jié)果可知，四版模型中冷器芯體扁管的流量均勻性指數(shù)都在0.937左右，除了模型4的均勻度略差;在基本進(jìn)出口管位置鎖定的情況下，略微調(diào)整加強(qiáng)筋位置和內(nèi)腔，對(duì)流動(dòng)均勻性的影響較小，基本可忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)與模擬的校核

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

我們做了中冷器帶換熱情況下的臺(tái)架性能試驗(yàn)，試驗(yàn)工況和試驗(yàn)結(jié)果入下表3所示。

3.2 CFD數(shù)值模擬

3.2.1 定溫CFD模擬

考慮到CFD模擬中，我們的計(jì)算模型是中冷器的內(nèi)流道，主要輸入?yún)?shù)為增壓空氣的物性（密度和粘度），模型內(nèi)流道的大小和網(wǎng)格尺寸的大小基本決定了計(jì)算資源的消耗。其中本次研究設(shè)定的中冷器入口溫度為160度，對(duì)應(yīng)的密度和粘度如下表4所示。

定溫模型的中冷器內(nèi)阻模擬結(jié)果如下表5所示。

3.2.2 非定溫CFD模擬

考慮到臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，中冷器的芯體有冷卻風(fēng)冷卻，內(nèi)部溫度是非定溫的，我們?cè)黾恿朔嵌氐腃FD研究。在CFD計(jì)算中對(duì)應(yīng)每個(gè)零件部分劃分不同的溫度輸入，設(shè)定的中冷器進(jìn)口氣室的溫度為160度，出口氣室的溫度為45度（通過(guò)性能模擬一維軟件可得），芯體的平均溫度為70度（通過(guò)一維軟件可以計(jì)算芯體多點(diǎn)的平均溫度）。由此得到的密度和粘度如下表6所示。

非定溫模型的中冷器內(nèi)阻模擬結(jié)果如下表7所示。

3.3 CFD和臺(tái)架測(cè)試對(duì)比

對(duì)比兩種CFD方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到結(jié)果如下圖9所示。

通過(guò)定溫和非定溫CFD模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可得，定溫方案下忽略了中冷器換熱帶來(lái)的溫度影響，內(nèi)阻模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差距在20%-30%左右。非定溫方案通過(guò)密度和粘度的改變考慮到了換熱帶來(lái)的溫度影響，內(nèi)阻模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差距在5%-10%左右。雖然非定溫方案的結(jié)果模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為貼近，但是如果僅僅是前期方案對(duì)比，我們認(rèn)為完全可以通過(guò)定溫方案做CFD流場(chǎng)分析來(lái)判斷方案趨勢(shì)和優(yōu)劣。

4 結(jié)論

本章通過(guò)應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)中冷器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，獲得了中冷器應(yīng)用工況下的壓力場(chǎng)，速度場(chǎng)和中冷器扁管的流量分布情況，為進(jìn)一步分析優(yōu)化中冷器氣室設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

（1）降低中冷器流動(dòng)阻力可以通過(guò)增大中冷器氣室內(nèi)腔容積達(dá)到，中冷器氣室內(nèi)腔容積越大，氣室內(nèi)增壓空氣的速度強(qiáng)度越低，內(nèi)部阻力損失越小。

（2）改變中冷器內(nèi)部加強(qiáng)筋的位置會(huì)對(duì)中冷器扁管的流量分布產(chǎn)生影響，可以通過(guò)CFD流量分布均勻度分析得到最佳的加強(qiáng)筋布置角度。

（3）通過(guò)CFD定溫和非定溫模擬方案與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，得到了模擬與試驗(yàn)的差值，為今后的工作提供了很好的數(shù)據(jù)參考基礎(chǔ)。

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