非均勻散熱管對中冷器流動均勻性的影響

張博峰 劉永濤 王征

摘要： ?為了解決中冷器內(nèi)部氣體流動均勻性差的問題，提出了非均勻散熱管中冷器。基于非均勻散熱管設(shè)計了非均勻散熱管中冷器，采用計算流體力學（CFD）方法對非均勻散熱管中冷器的內(nèi)部流動均勻性進行了研究。結(jié)果表明：在不改變中冷器氣室的情況下，使用非均勻散熱管能有效提高中冷器內(nèi)部流動均勻性；非均勻散熱管中冷器與傳統(tǒng)中冷器相比，均勻性系數(shù)提高2.45%～3.51%，中冷器整體壓降增加約7%。

關(guān)鍵詞： ?中冷器；非均勻散熱管；均勻性系數(shù)；壓降

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.006

中圖分類號： U464.135.8 ???文獻標志碼： ?B ??文章編號： ??1001-２２２２（２０24）０1-００37-０5

自渦輪增壓技術(shù)出現(xiàn)以來，中冷器便作為車輛上的核心部件被研究和優(yōu)化。在能源短缺和環(huán)境惡化的雙重壓力下，新能源汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車，其中的混合動力汽車、氫燃料發(fā)動機汽車、氫燃料電池汽車依然離不開中冷器技術(shù)。

對于中冷器最重要的設(shè)計參數(shù)是壓降和溫升，中冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱能力、可靠性是主要的研究方向，直到文獻［1］提出中冷器內(nèi)部流動均勻性對于中冷器的散熱性能、可靠性、凝水都有著重要的影響，中冷器內(nèi)部流動均勻性才逐漸被重視和研究。張博峰等［1-5］提出良好的中冷器內(nèi)部流動均勻性可以有效地提高中冷器散熱能力和使用壽命，同時提出導流式中冷器、混流式中冷器及復合混流式中冷器設(shè)計技術(shù)，能有效地提高中冷器的內(nèi)部流動均勻性；同時為了評價中冷器內(nèi)部流動均勻性，提出了流動均勻性評價方法；通過試驗的對比驗證，發(fā)現(xiàn)復合混流式技術(shù)在均勻性提升方面具有較大的空間。馬天帥等［6］利用CFD方法對船用柴油機的內(nèi)部流場進行了分析，并對流動均勻性進行了優(yōu)化，中冷器入口截面的速度均勻性系數(shù)有所提高。李晗等［7］給出了提高中冷器流動均勻性的具體方法及適用范圍。Y. L. L. Pistoresi［8］的研究表明，分配器和收集器的設(shè)計不當，通常會造成散熱器的流量分布不均，通過對分配器和收集器的優(yōu)化可以有效地提高流動的均勻性。A. Amirfazli等［9］研究了歧管和冷卻流場通道尺寸對電堆溫度均勻性的影響，同時引入了冷卻歧管的概念設(shè)計，實現(xiàn)冷卻液流速在電池之間的均勻分布。T. C. Joshi等［10］為了改善中冷器性能，提出了一種液冷式中冷器，增壓空氣流量由外殼精確控制，確保氣流均勻分布。Z. A. Cheng等［11］將計算流體動力學（CFD）技術(shù)與試驗測量相結(jié)合，研究了幾何參數(shù)對外部歧管固體氧化物燃料電池（SOFC）堆中流動均勻性和壓力分布的影響。F. Wang等［12］研究了不同氣室設(shè)計參數(shù)對CAC（中冷器）流動均勻性的影響，指導CAC的設(shè)計與開發(fā)。H. Kallath等［13］基于CFD仿真方法，通過回歸分析找到了具有改進流動均勻性的入口和出口歧管，改善了空氣冷卻器的流動均勻性。Sudhanshu Pandey等［14］研究了低壓側(cè)流動不均勻?qū)Q熱器熱性能的影響。

前期研究表明，中冷器內(nèi)部氣體流動均勻性對于中冷器的性能有著重要的影響，改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)雖然有效，但中冷器氣室往往受物理邊界條件的限制而不能改變，所以本研究在不改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)的前提下提出了非均勻散熱管中冷器設(shè)計方案，并研究非均勻散熱管對中冷器內(nèi)部流動均勻性的影響。

1 ??仿真模型

1.1 ??中冷器結(jié)構(gòu)

圖1示出一種典型的空-空中冷器結(jié)構(gòu)，中冷器主要由左側(cè)的進氣氣室、右側(cè)的出氣氣室以及中間的芯體組成。中冷器芯體由主片、側(cè)板、散熱管總成、散熱帶組成。

圖2為中冷器氣體流動示意。由圖可見，熱壓縮空氣從左側(cè)進氣氣室進入，然后平行流過中冷器芯體，最后從右側(cè)中冷器出氣氣室流出。中冷器外側(cè)的冷卻氣流流過中冷器芯體部分的外部區(qū)域，從而實現(xiàn)內(nèi)部熱壓縮空氣與外部冷空氣的熱量交換。

對于傳統(tǒng)的中冷器而言，由于受整車結(jié)構(gòu)的限制，所以通過對氣室的優(yōu)化來提高流動均勻性有較大的困難；導流式、混流式以及復合混流式中冷器技術(shù)雖然有較好的流動均勻性，也不用改變中冷器氣室外部物理邊界條件，但是其制造困難的問題一直存在［1-3］。本研究基于前期的研究成果，提出了非均勻散熱管中冷器方案，不是改變中冷器氣室的內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)，而是改變中冷器散熱管的阻力特性，從而提高中冷器的內(nèi)部流動均勻性。

非均勻散熱管中冷器是通過采用不同阻力特性的散熱管總成來組成中冷器芯體，中冷器氣室不發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。圖3為組成中冷器芯體的3種散熱管總成示意。3種散熱管總成的外部結(jié)構(gòu)尺寸相同，唯一的區(qū)別是A型、B型、C型散熱管的紊流片波距尺寸不同，分別為5.5 mm，4.5 mm，3.5 mm，對應(yīng)產(chǎn)生不同的散熱管阻力特性。

在中冷器氣室不變的前提下，為了調(diào)整散熱管總成內(nèi)的質(zhì)量流量分布，設(shè)計了如圖4所示的非均勻散熱管中冷器芯體結(jié)構(gòu)。中冷器芯體共有39個散熱管總成，中冷器芯體從上到下分為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4、區(qū)域5，每個區(qū)域?qū)?yīng)的管型分別是A，B，C，B，A，對應(yīng)的散熱管總成數(shù)量分別是4，6，13，7，9。A型散熱管總成的分布位置是1號至4號，31號至39號；B型散熱管總成分布的位置是5號至10號，24號至30號；C型散熱管總成分布的位置是11號至23號。B型散熱管總成與基準中冷器使用的散熱管總成相同。

1.2 ??散熱管總成阻力系數(shù)計算

為了得到較為精確的計算結(jié)果，首先對單根散熱管總成進行流體仿真分析，獲得3種散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)。隨后建立中冷器總成的流體模型，利用散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)建立各個散熱管總成的多孔介質(zhì)模型。利用基于多孔介質(zhì)模型的中冷器模型進行仿真計算，計算每根散熱管總成的質(zhì)量流量，并計算中冷器整體的流動均勻性和中冷器壓降。

表1列出3種散熱管總成的流速-壓降特性數(shù)據(jù)。散熱管總成進口流速分別取2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s，10 m/s，覆蓋了常用的中冷器流速范圍。在相同的流速條件下，A型散熱管總成的壓降最小，B型散熱管總成的壓降居中，C型散熱管總成的壓降最大。

根據(jù)中冷器散熱管總成多孔介質(zhì)模型的設(shè)定要求，通過式（1）計算中冷器散熱管總成的慣性阻力系數(shù)以及黏性阻力系數(shù) ［15］：

Δp L =－（P ?i ?v +P ?v ）v 。 ?（1）

式中： v為通過介質(zhì)的速度；P ?i 為慣性阻力系數(shù)；P ?v ?為黏性阻力系數(shù)。

通過表1中的數(shù)據(jù)和式（1）分別計算出3種散熱管總成的慣性阻力系數(shù)以及黏性阻力系數(shù)，如表2所示。

1.3 ??中冷器模擬邊界條件設(shè)定

在仿真計算中，為了與中冷器實際的使用工況吻合，中冷器入口邊界設(shè)定為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量分別設(shè)定為0.1 kg/s，0.2 kg/s，0.3 kg/s，0.4 kg/s，0.5 kg/s，覆蓋了目前中冷器的使用范圍；中冷器出口設(shè)定為壓力出口，壁面為無滑移標準壁面邊界條件。

1.4 ??流動均勻性評價參數(shù)

為了對中冷器內(nèi)部的分布均勻性進行評價，引入以下評價參數(shù)［1］：

1） 質(zhì)量流量最大值與最小值比值 R 。

R= G ?max ?G ?min ??。 ?（2）

式中： G ?max 為散熱管總成的最大質(zhì)量流量；G ?min ?為散熱管總成的最小質(zhì)量流量。

2） 均勻性系數(shù) γ 。表示中冷器芯體內(nèi)氣體流動分布均勻的程度，其表達式為［1］

γ=1－ 1 2 ∑ N ?n =1 ??G n－G - ??NG - ??。 ?（3）

式中： N為散熱管總成數(shù)量；G - 為所有散熱管總成的平均質(zhì)量流量；G ?n 為第n 根散熱管的質(zhì)量流量。

當 γ =1時，每根散熱管的質(zhì)量流量相同，中冷器內(nèi)部流量分布均勻性最好，屬于理想狀態(tài)。正常情況下，1＞ γ ＞0，該值越大，各個散熱管中的流量分布越均勻，該值越小，散熱管內(nèi)部的流量分布越不均勻［1］。

1.5 ??模型驗證

為驗證模型的準確性，利用散熱器風洞試驗裝置對相同工作條件下的基準中冷器的流動阻力進行測試，并與仿真模型的結(jié)果進行對比。表3列出了基準中冷器模擬與試驗數(shù)據(jù)的對比情況。

由試驗數(shù)據(jù)可知，利用中冷器風洞試驗獲取的中冷器壓降數(shù)據(jù)與CFD模擬的壓降數(shù)據(jù)相比，相對誤差在-2.13%～2.92%之間，驗證了在該流量范圍內(nèi)該中冷器模型的準確性。

1.6 ??中冷器流場分析

本研究對基準中冷器和改進中冷器（非均勻散熱管中冷器）模型進行了仿真計算。

圖5示出基準中冷器內(nèi)部流場的速度分布云圖，中冷器氣口正對的散熱管具有最大的流速，以中冷器氣口為中心，隨著散熱管距中心距離的增加，氣體流速逐漸減小。

圖6示出改進中冷器內(nèi)部流場的速度分布云圖。由圖可見，散熱管流速的分布趨勢與基準中冷器的基本一致，不同之處在于中心附近的流速有所降低，兩側(cè)遠離中心的散熱管流速有所增加。

2 ??模型仿真結(jié)果分析

2.1 ??質(zhì)量流量對均勻性的影響

表4列出不同質(zhì)量流量下中冷器內(nèi)部流動均勻性對比情況。對于同一款中冷器，在給定的質(zhì)量流量范圍內(nèi)，隨著中冷器質(zhì)量流量的增加，中冷器內(nèi)部流動均勻性系數(shù)逐漸減小，中冷器的散熱管最大質(zhì)量流量與最小質(zhì)量流量的比值 R 逐漸增大，中冷器流動均勻性隨著質(zhì)量流量的提高而變差。在同一質(zhì)量流量下，改進中冷器相比基準中冷器流動均勻性系數(shù) γ 有了明顯的提升，均勻性系數(shù)提高了2.44%～3.51%；而質(zhì)量流量最大值與最小值比值 R 有了明顯的降低， R 值降低了9.28%～12.07%。

2.2 ??非均勻散熱管對中冷器流動均勻性的影響

圖7示出0.3 kg/s的質(zhì)量流量條件下，基準中冷器和改進中冷器整體的流動均勻性對比情況。改進中冷器相比基準中冷器，2號，3號，10號至23號，25號至39號散熱管的質(zhì)量流量相較平均值偏差明顯減小。改進中冷器進氣口對應(yīng)的中心位置附近的散熱管質(zhì)量流量最大，但是相比基準中冷器有所降低，遠離中心的散熱管質(zhì)量流量有所增加。改進中冷器散熱管總成內(nèi)的空氣質(zhì)量流量偏離平均值的幅度有了明顯的減小，散熱管最大質(zhì)量流量相比基準中冷器有所降低，最小質(zhì)量流量相有所提高，說明改進后的中冷器流動均勻性得到了提高。

2.3 ??非均勻散熱管對中冷器壓降的影響

圖8示出基準中冷器和改進中冷器的壓降對比情況。由圖8可見，改進中冷器相比基準中冷器，整體的壓降有所增加，隨著質(zhì)量流量的增加，中冷器壓降增幅也在增加。改進中冷器相比基準中冷器，整體壓降增加約7%，說明非均勻散熱管雖然對中冷器流動均勻性提升有所貢獻，但是也增加了中冷器的阻力。改進中冷器的壓降最大為8.21 kPa，小于發(fā)動機規(guī)定的壓降設(shè)計值（小于等于12 kPa），滿足設(shè)計要求。

根據(jù)目前的研究結(jié)果，中冷器流動均勻性的提高可以有效提高中冷器效率，進而降低中冷器溫升，提高發(fā)動機效率，抵消部分壓降增加帶來的功率損耗［3］。

3 ??結(jié)論

a） 非均勻散熱管中冷器在不改變中冷器氣室結(jié)構(gòu)的前提下有效提高了中冷器內(nèi)部流動均勻性；

b） 非均勻散熱管中冷器相比傳統(tǒng)中冷器，散熱管內(nèi)質(zhì)量流量的偏差明顯減小，均勻性系數(shù)提高2.45%～3.51%；

c） 非均勻散熱管中冷器相比傳統(tǒng)中冷器，中冷器整體壓降增加約7%，說明非均勻散熱管雖然對中冷器流動均勻性提升有所貢獻，但是也增加了中冷器的阻力；

d） 改進中冷器的壓降最大為8.21 kPa，小于規(guī)定的壓降設(shè)計值。

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Influence of Non-Uniform Cooling Tubes on Flow Uniformity of Intercooler

ZHANG Bofeng1，LIU Yongtao2，WANG Zheng3

（1.Shaanxi Vocational&Technical College，Xian 710038，China;2.Changan University，Xian 710064，China;3.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112，China）

Abstract： ?In order to solve the problem of gas poor flow uniformity in the intercooler， the non-uniform cooling tube was proposed. The intercooler of non-uniform cooling tube was designed and the flow uniformity was studied based on the computational fluid dynamics（CFD）. The results show that， without changing the air chamber of intercooler， the use of non-uniform cooling tube can effectively improve the flow uniformity in the intercooler. Compared with the traditional intercooler， the uniformity coefficient of improved intercooler increases by 2.45%-3.51% and the pressure drop increases by about 7%.

Key words： ?intercooler;non-uniform cooling tube;uniformity coefficient;pressure drop

［編輯： 姜曉博］

收稿日期： ??2023-02-03； [HT6H]修回日期： ??2023-07-18

基金項目： ??國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFB2501202）

作者簡介： ??張博峰（1984—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向為新能源汽車熱管理及創(chuàng)新方法；zhangbofeng001@163.com。

通訊作者： ???劉永濤（1989—），男，副教授，博士，主要研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同控制、人車路系統(tǒng)安全、新能源汽車低碳評價與產(chǎn)業(yè)規(guī)劃；liuyongtao86@163.com。