CFD技術在中冷器氣室結構優化上的應用

吳兆亮　侯海焱　王劍

摘 要：以空冷式中冷器為研究對象，針對中冷器氣室的內腔和內部加強筋做參數幾何建模，運用CFD技術對幾何模型進行內部流場的三維仿真模擬，計算中冷器內部的流動阻力損失和中冷器芯體里每一根扁管的流量，進而得到了整個中冷器的壓力損失和流動平衡性。研究結果表明：中冷器氣室內部加強筋無論如何布置都會對流體的流動起到阻礙作用，進而提高流動阻力;沿流動方向平行布置加強筋對內部壓降最好;加強筋的角度會影響內部流動平衡性。中冷器氣室的內腔大小會直接影響內部壓降，內腔越小會導致氣體流速越高，氣室內部的壓力損失越大;但是局部內腔的減小可以提高氣體流速，對于某些中冷器設計來說提高流速可以改善芯體的流動均勻性。

關鍵詞：中冷器 CFD FLUENT 壓力損失 流動均勻性

1 引言

渦輪增壓技術這些年已經在很多車型上得到廣泛應用并已成為發動機關鍵技術之一。當空氣進入渦輪增壓后其溫度會大幅升高，密度會相應降低。中冷器正是起到了冷卻空氣的作用，高溫增壓空氣經過中冷器的冷卻，再進入發動機中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進入發動機，則會因空氣溫度過高而導致發動機損毀。如圖1是常見的帶渦輪增壓的中冷器工作原理圖。

目前影響中冷器系統表現除了換熱性能以外還有壓力損失和流動均勻性兩大指標;增壓空氣流過中冷器會產生壓力損失，這會抵消一部分增壓作用，同時帶來渦輪遲滯效應。中冷器內部流量分布均勻性差會導致中冷器芯體出現局部高流速低溫區和局部低流速高溫區，熱應力更加集中，冷卻能力也難以發揮，同時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構設計是否合理直接決定了中冷器的氣室壓力損失和內部氣流分配的均勻性。

我們通過借助計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）的技術，對中冷器進行仿真模擬，得到大量的流動壓力數據和氣體流量分布數據，通過模擬數據的分析對方案進行優化調整，減少了樣件制作和臺架試驗的員工工作量和費用支出。

2 中冷器數值模擬與分析

2.1 CFD仿真簡介

CFD（Computational Fluid Dynamics）計算流體力學，它主要就是借助流體控制方程對物理現象進行分析。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的仿真過程主要由前處理、求解器、后處理構成。前處理就是根據實際問題進行幾何建模的過程，同時也需要對模型進行離散化處理。求解器的作用是設置相關的邊界條件并對相關問題進行模擬。后處理主要是對模擬結果的分析過程，通過該過程可以很容易地得到相關模型的場分布及相關參數，以便于可視化研究。

2.2 數值計算模型

2.2.1 幾何模型與網格劃分

本文的研究對象為空冷式中冷器，其內腔模型如圖三所示。從模型來看，中冷器內腔分為三個部分，分別是進口氣室，扁管芯體和出口氣室。由于中冷器實際產品裝配結構復雜，抽出的內腔模型存在大量的薄片體，而這些薄片體在生網格的過程中可能會產生負體積網格，最終會導致計算難以收斂。所以我們在實際操作中會對模型進行簡化，刪除這些薄片體。因為要研究內部加強筋和內腔的設計對壓力損失和流量分布的影響，所以我們做了4版不同參數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構化蜂窩狀多面體網格，并對不同區域的網格做不同的設置操作。對于主要研究的氣室內腔采用加密網格，而對于多孔介質設置的扁管采用拉伸網格，最終的網格如圖4所示。選用非結構化蜂窩狀多面體網格因為它的生成速度快，計算機工作負荷相對較小，而且最終網格與實際模型更加貼切，結果更準確。

2.2.2 數學模型

我們的模擬過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，滿足連續性方程、動量方程和能量方程。在差分格式中，壓力項采用標準格式，速度項、湍動能項和湍流粘性系數項均采用二階迎風格式，壓力與速度之間的耦合算法為SIMPLE。數學模型基于以下簡化和假設：1）工作流體為牛頓流體 2）流體處于穩定流動狀態 3）忽略重力作用。

在設置邊界條件時，入口采用質量流量入口條件，出口采用壓力出口條件，介質增壓空氣的物性參數設置為160度下空氣的密度和粘度，氣室邊界設置為無滑移速度邊界條件;在入口/出口邊界條件設置中，還需要設置湍流強度和水力直徑，也即當量直徑。

在對計算域的流場進行初始化操作后，即可進行迭代計算。計算過程如下圖5所示。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 壓降和流場云圖分析

中冷器的CFD模擬結果如表一所示。通過結果可以看出模型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。針對中冷器氣室內部加強筋做長度和角度的微調，對于最終的壓降結果沒有明顯影響。而對于中冷器氣室內腔容積做調整，對于最終的壓降結果影響較大。

通過對中冷器模型的速度云圖切面進行分析可以看到，在圖7中模型1和模型2的速度強度明顯低于模型3和模型4中的氣流速度強度;在中冷器進口空氣流量一定的情況下，中冷器的內腔容積越大，則相對的氣體流速越小。因為流速=流量/截面積，更大的內腔容積帶來更小的氣體流速;而換熱器阻力損失與速度的平方呈正比關系，所以氣體流速越小換熱器的壓降越小。

2.3.2 芯體流動均勻性分析

對于中冷器的流動均勻性分析，我們采用均勻度指數Uniformity Index來評價。該評價指標是Weltens等建立的一種流場速度均勻性評價標準，基于統計偏差定義，能夠反映流通截面的流體速度分布特性。Uniformity Index的數值在0～1之間，Index=0表示流體僅從一個測點通過;Index=1表示最理想的流動情況，即截面的速度完全均勻分布。Uniformity Index的計算公式如下：

r=1-

公式中，Γ=速度均勻性系數;

n=入口截面面單元個數;

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公式簡化，數值上把原公式的平方開根號計算轉換為取絕對值，結果保持不變。最終計算公式如下：

Uniformity Index=1-

在模擬中冷器的多孔介質內部流動時，速度方向均沿多孔介質的厚度方向，流動設定為層流，在設定增壓空氣流量下的流動分布模擬結果如下圖8所示。

通過流量分布的偏差分析可以看出，由于進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。其中流量在第25根扁管附件有一個低谷的主要原因是進口氣室處的加強筋對流動起了一個阻礙作用導致加強筋附近的流量異常波動。對比均勻性指數數值如下表2所示。

由結果可知，四版模型中冷器芯體扁管的流量均勻性指數都在0.937左右，除了模型4的均勻度略差;在基本進出口管位置鎖定的情況下，略微調整加強筋位置和內腔，對流動均勻性的影響較小，基本可忽略不計。

3 試驗與模擬的校核

3.1 臺架試驗

我們做了中冷器帶換熱情況下的臺架性能試驗，試驗工況和試驗結果入下表3所示。

3.2 CFD數值模擬

3.2.1 定溫CFD模擬

考慮到CFD模擬中，我們的計算模型是中冷器的內流道，主要輸入參數為增壓空氣的物性（密度和粘度），模型內流道的大小和網格尺寸的大小基本決定了計算資源的消耗。其中本次研究設定的中冷器入口溫度為160度，對應的密度和粘度如下表4所示。

定溫模型的中冷器內阻模擬結果如下表5所示。

3.2.2 非定溫CFD模擬

考慮到臺架試驗過程中，中冷器的芯體有冷卻風冷卻，內部溫度是非定溫的，我們增加了非定溫的CFD研究。在CFD計算中對應每個零件部分劃分不同的溫度輸入，設定的中冷器進口氣室的溫度為160度，出口氣室的溫度為45度（通過性能模擬一維軟件可得），芯體的平均溫度為70度（通過一維軟件可以計算芯體多點的平均溫度）。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阻模擬結果如下表7所示。

3.3 CFD和臺架測試對比

對比兩種CFD方法和試驗數據，得到結果如下圖9所示。

通過定溫和非定溫CFD模擬與試驗數據的對比可得，定溫方案下忽略了中冷器換熱帶來的溫度影響，內阻模擬結果和試驗結果差距在20%-30%左右。非定溫方案通過密度和粘度的改變考慮到了換熱帶來的溫度影響，內阻模擬結果和試驗結果差距在5%-10%左右。雖然非定溫方案的結果模擬和試驗數據更為貼近，但是如果僅僅是前期方案對比，我們認為完全可以通過定溫方案做CFD流場分析來判斷方案趨勢和優劣。

4 結論

本章通過應用FLUENT軟件對中冷器內流場進行CFD數值模擬分析，獲得了中冷器應用工況下的壓力場，速度場和中冷器扁管的流量分布情況，為進一步分析優化中冷器氣室設計提供了參考依據。

（1）降低中冷器流動阻力可以通過增大中冷器氣室內腔容積達到，中冷器氣室內腔容積越大，氣室內增壓空氣的速度強度越低，內部阻力損失越小。

（2）改變中冷器內部加強筋的位置會對中冷器扁管的流量分布產生影響，可以通過CFD流量分布均勻度分析得到最佳的加強筋布置角度。

（3）通過CFD定溫和非定溫模擬方案與實測結果的對比，得到了模擬與試驗的差值，為今后的工作提供了很好的數據參考基礎。

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