基于CFD 數(shù)值模擬的汽車中冷器流動均勻性研究*

張 輝 王鵬超 徐 慧 龔玉梅 陳基巖

（1-臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院 浙江 臺州 318000 2-臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車關(guān)鍵零部件精益智造研究所 3-浙江銀輪機械股份有限公司）

引言

中冷器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的核心部件，增壓后的高溫需要中冷器進(jìn)行冷卻，以提高發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性，同時降低HC、CO 和NOx排放。目前，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)普遍采用管帶式結(jié)構(gòu)的空空中冷器。中冷器性能評價指標(biāo)包括傳熱系數(shù)和內(nèi)流道增壓空氣的壓力損失，如何以最小的壓力損失來得到最大的傳熱系數(shù)，是中冷器設(shè)計的關(guān)鍵。而這2 個指標(biāo)都與其內(nèi)流道增壓空氣的流動均勻性密切相關(guān)，即增壓空氣流經(jīng)中冷器各散熱管流量的一致程度。中冷器氣流分布不均勻會造成2 個方面的負(fù)面影響：一個方面是中冷器芯體局部區(qū)域高流量形成高溫區(qū)，部分區(qū)域低流量形成低溫區(qū)，無法充分發(fā)揮低溫區(qū)的散熱能力，導(dǎo)致中冷器整體散熱性能下降；另一個方面是芯體各散熱管內(nèi)流量差異大，容易形成較大的溫度梯度，增加芯體局部熱應(yīng)力，降低中冷器可靠性及使用壽命，尤其是降低冷熱循環(huán)熱疲勞壽命[1-2]。

中冷器內(nèi)流道氣體流動均勻性一直是散熱器生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)者和學(xué)者的研究重點。張博峰等[3]提出的中冷器整流裝置能有效改善中冷器內(nèi)流道氣流分布均勻性，但同時會大幅增加壓力損失，造成渦輪遲滯效應(yīng)。P.Stephenson 等[4]的研究表明，中冷器進(jìn)出口位置和氣室結(jié)構(gòu)形狀對氣體流動均勻性起到關(guān)鍵作用。孟祥延等[5]對中冷器氣室外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，分析結(jié)果表明，氣室是中冷器壓力損失的重要部件，但受發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)布置限制，中冷器進(jìn)出口位置和氣室外形輪廓很多時候無法大幅調(diào)整。李晗等[6]分析了氣室結(jié)構(gòu)、芯體尺寸以及中冷器內(nèi)部壓力、溫度、流量等參數(shù)對氣體流動均勻性的影響，得出芯體尺寸、進(jìn)氣壓力與氣體流動均勻性呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)氣溫度與氣體流動均勻性呈正相關(guān)的結(jié)論。

氣室對進(jìn)入中冷器的增壓空氣進(jìn)行分配引流，尤其是進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)對內(nèi)流道氣體流動均勻性和壓力損失起到?jīng)Q定性作用。本文針對某款汽車中冷器散熱性能差、壓力損失大的問題，提出一種帶導(dǎo)流板的中冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，基于通過風(fēng)洞試驗驗證的CFD 仿真模型，對比分析有無導(dǎo)流板的中冷器內(nèi)部流量、速度、壓力的分布情況，驗證優(yōu)化后中冷器結(jié)構(gòu)的有效性，從而為中冷器氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 研究對象

1.1 中冷器幾何模型

圖1 為某款汽車管帶式空空中冷器。

圖1 中冷器結(jié)構(gòu)圖

由進(jìn)出氣室和芯體構(gòu)成，芯體包含主板、側(cè)板、散熱管、散熱帶和紊流片。芯體參數(shù)見表1。

表1 中冷器芯體參數(shù)

增壓空氣流經(jīng)23 根散熱管進(jìn)行散熱，管內(nèi)焊有錯齒形紊流片，管外焊有百葉窗散熱帶，以強化中冷器的散熱能力。在發(fā)動機艙日益緊湊的情況下，這是一種非常典型的中冷器結(jié)構(gòu)，具有以下特征：進(jìn)出管口偏離中心，非對稱布置；橫向尺寸大，氣室管口擴口區(qū)域小，不能很好地將氣流往芯體兩端引流。該類中冷器內(nèi)流道氣體流動均勻性差，各散熱管質(zhì)量流量偏差能達(dá)30%以上，嚴(yán)重制約了中冷器散熱性能以及可靠性和使用壽命的提高。當(dāng)高速增壓空氣通過進(jìn)氣管進(jìn)入進(jìn)氣室時，由于流體慣性，不能沿著氣室擴口形狀馬上擴散到整個過流截面，存在一個逐步擴展過程，從而會在氣室內(nèi)部形成大量的渦旋區(qū)。進(jìn)氣口對應(yīng)區(qū)域的散熱管壓力大，流經(jīng)的氣體流量多，兩側(cè)的散熱管氣體流量就較少。以上是造成中冷器內(nèi)部氣體流動均勻性差的根本原因，導(dǎo)致中冷器散熱效率低、芯體局部熱應(yīng)力集中。

1.2 控制方程及邊界條件

流體流動數(shù)值模擬分析過程采用的控制方程為不可壓縮流動的質(zhì)量、動量、能量守恒方程。

1）質(zhì)量守恒方程

2）動量守恒方程

3）能量守恒方程

分析過程中，增壓空氣流速遠(yuǎn)低于358 km/h，可認(rèn)為是不可壓縮氣體[7]；中冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易引起氣流分離，芯體簡化為穩(wěn)態(tài)的k-ε 湍流多孔介質(zhì)模型，采用SIMPLE 算法；中冷器內(nèi)部壁面無滑移設(shè)定。

中冷器邊界條件：

1）熱側(cè)入口采用質(zhì)量流量邊界，其值為29.9kg/min，進(jìn)氣溫度為180 ℃，流動方向與管口平面垂直；

2）為了防止出現(xiàn)回流現(xiàn)象，出口設(shè)置為壓力出口邊界，靜壓值為0；

3）為了降低計算過程中阻塞效應(yīng)、Renault 效應(yīng)以及洞壁效應(yīng)的負(fù)面影響，保證流體能夠更好地流通，在進(jìn)出管口引入導(dǎo)流體，進(jìn)口長度為5 倍管口直徑，出口長度為10 倍管口直徑[8-9]。

1.3 網(wǎng)格劃分

中冷器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了研究氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)對氣體流動均勻性的影響，簡化處理安裝孔、散熱帶等外部結(jié)構(gòu)。整個模型采用混合網(wǎng)格，進(jìn)出氣室采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，芯體部分采用全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為850 萬個。

2 模擬分析

根據(jù)整車性能要求匹配中冷器的芯體參數(shù)，以滿足發(fā)動機許用環(huán)境溫度和系統(tǒng)壓力損失要求。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化中冷器氣室結(jié)構(gòu)，改善內(nèi)流道氣體流動均勻性，對中冷器的散熱性能和可靠性提高非常有效。

首先，基于CFD 數(shù)值模擬計算，對無導(dǎo)流板中冷器氣體流動均勻性進(jìn)行分析。

2.1 評價參數(shù)

為了定量分析中冷器內(nèi)流道增壓空氣的分布情況，以散熱管為研究單元，計算流經(jīng)每根散熱管的質(zhì)量流量，并以平均質(zhì)量流量、質(zhì)量流量偏差和平均質(zhì)量流量偏差作為中冷器氣體流動均勻性評價指標(biāo)。

式中：n 為中冷器散熱管總根數(shù)；Mk為第k 根散熱管內(nèi)氣體質(zhì)量流量。

2）質(zhì)量流量偏差Qk。各散熱管內(nèi)氣體質(zhì)量流量與平均質(zhì)量流量之間的偏差。

3）平均質(zhì)量流量偏差Q。所有散熱管內(nèi)氣體質(zhì)量流量偏差的平均值，是評價氣體流動均勻性的主要指標(biāo)。理想情況下，各散熱管間流量偏差為零，這是中冷器優(yōu)化設(shè)計的終極目標(biāo)。但受制于氣室管口位置、輪廓形狀等因素影響，實際上不可能實現(xiàn)。

2.2 氣體質(zhì)量流量分析

氣體質(zhì)量流量分布是中冷器氣體流動均勻性的直觀體現(xiàn)。

中冷器散熱管氣體質(zhì)量流量如圖2 所示，中冷器散熱管氣體質(zhì)量流量偏差如圖3 所示。

圖2 中冷器散熱管氣體質(zhì)量流量

圖3 中冷器散熱管氣體質(zhì)量流量偏差

圖2 和圖3 顯示，中冷器各散熱管質(zhì)量流量差異大，平均質(zhì)量流量偏差達(dá)7.66%；14 號散熱管質(zhì)量流量最大，為24.76 g/s，質(zhì)量流量偏差也最大，為13.89%；1 號散熱管質(zhì)量流量最小，為18.08 g/s，質(zhì)量流量偏差也最小，為-16.84%；兩者的質(zhì)量流量偏差相差30.73%。各散熱管氣流分布均勻性差，進(jìn)氣管口對應(yīng)的中間區(qū)域流量大，兩側(cè)流量較小，尤其是左側(cè)1-4 號散熱管的質(zhì)量流量偏差都在-11%以上。氣流的不均勻分布制約了中冷器的散熱能力，出口溫度為50.75 ℃。此外，中間高流量區(qū)域熱負(fù)荷大，兩側(cè)熱負(fù)荷小，容易形成熱應(yīng)力集中，這也符合實際產(chǎn)品在6-12 號散熱管之間出現(xiàn)散熱管根部開裂的失效模式。

2.3 速度場分析

無導(dǎo)流板中冷器內(nèi)流道速度場模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 中冷器氣流速度云圖

從圖4 可以看出，進(jìn)氣室存在較多氣體渦旋區(qū)，影響氣體流場分布，而出氣室主要用于氣體集聚，基本不存在大渦旋區(qū)，氣流平順性好。這也驗證了前文所說的進(jìn)氣室對中冷器氣體分布均勻性起決定作用。經(jīng)過渦輪增壓器增壓的熱空氣，通過中冷器進(jìn)氣管高速涌入進(jìn)氣室，進(jìn)氣室通道截面快速擴張，氣流由于慣性作用，不能很好地沿著氣室內(nèi)壁立刻擴散，存在一個逐步擴散過程，形成氣流渦旋回流，同時部分氣體撞擊室體內(nèi)壁后引起回流，回流的氣體和剛進(jìn)入的氣體相撞，加劇局部渦旋現(xiàn)象，因此在進(jìn)氣室內(nèi)部存在大量的渦旋區(qū)。此外，高速沖擊管口對應(yīng)芯體區(qū)域的氣體大部分流入中間區(qū)域散熱管，另一部分沖擊到主板產(chǎn)生反彈回流，氣體動能轉(zhuǎn)化為壓力能形成高壓區(qū)，氣體向氣室兩側(cè)的低壓區(qū)流動。

圖5 為進(jìn)氣室氣流速度云圖。

圖5 中冷器進(jìn)氣室氣流速度云圖

圖5 表明，氣室兩端存在渦旋區(qū)，制約了氣流進(jìn)入芯體兩側(cè)的散熱管，尤其是氣室左端存在橫向渦旋，該區(qū)域散熱管質(zhì)量流量偏差達(dá)到-11%以上。

速度場分析結(jié)果很好地解釋了無導(dǎo)流板中冷器氣流分布均勻性差的原因。

2.4 壓力場分析

中冷器內(nèi)流道壓力損失為進(jìn)出管口的壓力差，是衡量中冷器性能指標(biāo)的一個關(guān)鍵參數(shù)，其值越小，對發(fā)動機的動力性越有利。引起壓力損失的因素有很多，但主要是氣室結(jié)構(gòu)引起的體積變化和氣體流經(jīng)不同部位速度變化等引起的壓力損失。

圖6 為無導(dǎo)流板中冷器壓力云圖。

圖6 中冷器壓力云圖

增壓空氣從進(jìn)氣管進(jìn)入進(jìn)氣室，氣體通道截面增加，壓力下降；再流經(jīng)各散熱管，由于為了強化散熱能力，管內(nèi)焊有紊流片，大幅增加了流程阻力，管內(nèi)壓力損失相對較大，壓力再次降低。通過模擬計算得到，中冷器的總壓力損失為12.82 kPa，其中進(jìn)氣室壓力損失為2.08 kPa，占16.2%；出氣室壓力損失為1.21 kPa，占9.5%；氣室壓力損失總占比為25.7%。由此可知，氣室結(jié)構(gòu)對中冷器壓力損失影響明顯。

3 中冷器風(fēng)洞試驗

為了驗證CFD 模擬計算的準(zhǔn)確性，對無導(dǎo)流板中冷器進(jìn)行風(fēng)洞試驗。依照GB/T 23338-2018《內(nèi)燃機增壓空氣冷卻器技術(shù)條件》[10]測量中冷器增壓空氣側(cè)進(jìn)出氣溫度、壓力、質(zhì)量流量、壓力損失等參數(shù)。風(fēng)洞試驗裝置如圖7 所示。

圖7 風(fēng)洞試驗臺

表2 為風(fēng)洞試驗結(jié)果。

表2 中冷器風(fēng)洞試驗結(jié)果

表3 為風(fēng)動試驗結(jié)果和仿真計算值對比。

表3 中冷器風(fēng)洞試驗結(jié)果和仿真計算值對比

由表3 可知，中冷器風(fēng)洞試驗結(jié)果和CFD 仿真計算結(jié)果的誤差很小，在允許偏差±5%范圍內(nèi)。這說明仿真數(shù)據(jù)有效，本文建立的中冷器CFD 仿真模型可行。

4 帶導(dǎo)流板的中冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)中冷器流場分布和氣體流向，通過在進(jìn)氣室增加導(dǎo)流板，盡量消除氣流渦旋區(qū)，對氣流進(jìn)行合理引流，使氣流盡量均勻地流向各散熱管，提高中冷器內(nèi)流道氣體流動均勻性。

圖8 為帶導(dǎo)流板的進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖。

圖8 中冷器進(jìn)氣室導(dǎo)流板設(shè)置方案

圖9 為有無導(dǎo)流板的中冷器各散熱管氣體質(zhì)量流量偏差對比。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后中冷器質(zhì)量流量偏差對比

設(shè)置導(dǎo)流板后，平均質(zhì)量流量偏差由7.66%降低到3.20%，降低幅度達(dá)58.2%。通過導(dǎo)流板的有效設(shè)置，很好地將中間區(qū)域流量向芯體左側(cè)散熱管引流，氣體流動均勻性大幅提高，充分發(fā)揮各散熱通道的散熱能力，增壓空氣出口溫度由50.75 ℃降低到49.91 ℃，中冷器環(huán)境許用溫度提高0.84 ℃。同時減小了各散熱管間的溫度梯度，減小了芯體熱應(yīng)力。

圖10 為有導(dǎo)流板的中冷器氣流速度云圖，圖11為有導(dǎo)流板的中冷器進(jìn)氣室氣流速度云圖。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后中冷器氣流速度云圖

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)氣室氣流速度云圖

從圖10 和圖11 可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，中冷器流場平順性明顯改善。圖10 顯示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，渦旋區(qū)數(shù)量大幅減少，渦旋規(guī)模大幅降低；圖11 顯示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，進(jìn)氣室左側(cè)橫向流動渦旋區(qū)消除，對左側(cè)散熱管流量增加效果顯著。

圖12 為流場改善后的中冷器壓力云圖。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的中冷器壓力云圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，中冷器的壓力損失為12.54 kPa，略微減小；進(jìn)氣室壓力損失為1.22 kPa，占9.7%；出氣室壓力損失為0.84 kPa，占6.7%；氣室壓力損失總占比為16.4%，相較于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前氣室總壓力損失3.29 kPa 減少1.23 kPa，即減少37.4%。這說明導(dǎo)流板對氣室的壓力損失減少有明顯作用。但由于芯體左側(cè)區(qū)域散熱管氣體流量大幅增加，流速增高，該區(qū)域芯體流程阻力也大幅增加，但也相應(yīng)增強了芯體散熱能力。

5 結(jié)論

本文對某款汽車管帶式空空中冷器的氣體流動均勻性進(jìn)行了分析，基于通過風(fēng)洞試驗驗證的CFD模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，根據(jù)流場分布，合理設(shè)置進(jìn)氣室導(dǎo)流板，對比分析了有無導(dǎo)流板中冷器的質(zhì)量流量、速度場、壓力場的分布情況。得出如下結(jié)論：

1）合理設(shè)置進(jìn)氣室導(dǎo)流板，中冷器氣體平均質(zhì)量流量偏差由7.66%減小3.20%，減小幅度達(dá)58.2%，有效改善了中冷器內(nèi)流道氣體流動均勻性，同時有利于避免芯體熱應(yīng)力集中。

2）合理設(shè)置進(jìn)氣室導(dǎo)流板，增壓空氣出口溫度由50.75 ℃降低到49.91 ℃，中冷器許用環(huán)境溫度提高0.84 ℃，氣室壓力損失減少37.4%，為采用高密度紊流片來提高芯體散熱性能提供了更大的空間。