柴油机增压中冷器数值模拟与设计【字数：7196】
1绪论
1.1课题背景
随着汽车节能环保政策法规的深入推行，发动机清洁燃烧与尾气净化技术不断进步，其中增压中冷技术逐渐成为业界的热点．社会在发展，汽车等行业也在飞速发展，内燃机的社会保有量也在不断增加，其排放威胁人类身体健康越来越受到人们的关注。在人口十分密集的城市，汽车排放对人类将带来很大危害。世界各国相继推出日益严格的的排放法规来控制汽车尾气对大气环境的污染，特别哥本哈根会议之后，对汽车排放要求更加严格。为了满足最新的排放法规要求，是发动机能够降低排放污染物，人们提出了多种方案。而其中涡轮增压器加器（即增压中冷系统）的方案一方面可以进一步提高内燃机进气管内气体的密度,提高内燃机的功率输出;另一方面还可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度,从而降低内燃机的排气温度、热负荷以及NOx的排放，如图1-1。
对于增压柴油机当增压压力较高时往往需要对进气进行冷却，因为增压的作用在于提高发动机的进气密度，从而加大喷入的燃料以提高平均有效压力。但随着增压比的增加，压气机出口空气温度也随之升高，因而在一定程度上限制了充气密度的提高。所以中冷后进气温度对柴油机的燃烧过程及排放性能有显著的影响。而且对进气进行增压还可以是柴油机在排量不变、质量增加不大的情况下达到增大输出功率的目的，通过合理匹配设计，还可以有效地改善内燃机的排放性能。但随着增压强度的增加，进气温度的显著升高阻碍了内燃机性能的进一步改善。
实验结果表明，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，它的密度约增大3%，当空气燃烧消耗率都保持不变时，柴油机输出功率可以提高3%～5%。不仅如此，柴油机效率也随着增压空气温度下降而上升，同时还能降低排放中的污染物，改善发动机的低速性能。因此，增压柴油机中通常采用中间冷却技术(以下简称中冷技术)。它不但可以提高发动机的功率，而且还可以降低发动机的热负荷和排气温度，用以达到降低增压柴油机排放降低的目的。综合来看，使用中冷器的必要性如下。
1、增加功率；
2、减少燃油消耗；
3、减少热负荷；
4、减少粉尘；
5、减少NOx的排放；
6、国家法律要求；
7、减少爆震（用于点火发动机）
正是由于增压中冷系统的应用，柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。因此，中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置，是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于中冷器的结构设计，散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。
正是由于增压中冷系统的应用，柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。因此，中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置，是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于中冷器的结构设计，散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。柴油机中冷器管路设计原则：1、中冷系统管路布置应简洁，尽量减少方向的改变。
2、管路应设固定装置。
3、不能使用橡胶弯头来改变方向，因为它会被高压进气吹脱落。柴油机中冷器的设计要求主要是：
1、结构简单、紧凑
2、工作可靠、成本低；
3、提高中冷器的换热能力；
4、减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失。
以上目标和要求是相互影响和制约的。因此我们在设计中冷器之前，必须首先要明确要达到的主要目标和任务，然后通过选择、比较确定一种合适的方案。在研究、设计过程中，应用CFD（Computational fluid dynamics）技术虚拟设计、计算中冷器的流通特性和换热效果，并进行仿真分析，将为今后的中冷器开发、设计寻找出一种切实可行的方法。
2柴油机中冷器简介
柴油机中冷器本质上是热交换器的一种。它作为增压柴油机不可缺少的部分，对从增压器流出的压缩空气进行冷却，进而提高进入柴油机的新鲜空气的密度，增大柴油机的进气量，提高柴油机的功率，降低污染物的排放。在实际应用中，其类型和结构差别很大。
2.1柴油机中冷器的类型和结构
2.1.1柴油机中冷器的类型
柴油机中冷器的类型有很多分类，目前增压柴油机的中冷器大都采用错流外冷间壁式冷却方式。我们根据其冷却介质的不同，有水冷式和风冷式中冷器两大类。
1、水冷式中冷器水冷式中冷器就是用冷却水来冷却热的压缩空气，水冷式冷却的中冷器根据冷却水系的不同我们可以分为两种方式。
（1）柴油机冷却系的冷却水冷却增压柴油机采用这种冷却方式不需要另设水路，结构非常简单。柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。
（2）柴油机两套独立的冷却水冷却这种柴油机中冷系统有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器的冷却。这种冷却方式冷却效果最好，因此在内燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。
2、风冷式中冷器风冷式中冷器是利用自然空气作为冷却介质来冷却热的压缩空气。风冷式冷却中冷器根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。
（1）用柴油机曲轴驱动风扇这种方式适用于汽车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用发动机的中冷器普遍采用这种方式。但是在低负荷时易出现过冷现象。
（2）压缩空气涡轮驱动风扇压缩空气涡轮驱动风扇这种中冷系统由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器，由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮做功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同的负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上也安装方便。
2.1.2柴油机中冷器的结构
1、水冷式中冷器的结构目前普遍使用的水冷式中冷器采用管片式结构。管片式中冷器是在许多冷却水管上套上一层层的散热片,经锡钎焊或堆锡焊焊接在一起。由俄罗斯引进技术的冷轧翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、传热系数大等的优点，也开始受到重视。在柴油机增压中冷系统同得到了很大的认可和应用。（1）管片式中冷器
管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡铅焊焊接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有叉排和顺排两种，水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线型等。其中圆管工艺性和可靠性较好，但空气的流通阻力较大，使空气压力损失较大。滴形和流线形管虽然空气阻力较少，但由于工艺性和可靠性差，目前很少使用。椭圆管与圆管和扁管相比，具有较高的传热系数和较少的空气阻力，其工艺性和可靠性不及圆管但优于扁管。
（2）冷轧翅片管式中冷器
冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用扎机上扎制而成。通常，单金属管用紫铜或铝；双金属管的内管用黄铜，外管用铝。双金属管在扎制过程中使用两种金属牢固的贴合在一起，几乎没有间隙，即使在长期振动工作条件下也不会脱开，将翅片管用涨管法固定在端板上。整个加工过程不用焊接，不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。因此，冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触热阻少，传热系数高，工作可靠性好。其缺点是在同样体积下冷却表面积较少，空气阻力损失较大。冷轧翅片管结构如图2-1。
2、风冷式中冷器结构风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气，由于热侧和冷侧换热介质均为空气，两侧的对流换热系数在同一数量级，因此两侧的换热面积应大致相同，风冷式中冷器的结构有扁管式、翅片式和管翅式几种。扁管式中冷器在扁管外围设有散热片，增压空气在管内流动，冷却空气在管外流动。由于热气侧换热面积太小，使中冷器传热效率低，应用很少。应用较多的是板翅式和管翅式中冷器两种型式。
（1）板翅式中冷器板翅式中冷器的结构是在厚0.5—0.8mm的薄金属板之间，钎焊由厚0.1—0.3mm的薄金属板制成的翅片，两端以测限制板封焊。因各层翅片方向互错90度，两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。板翅式中冷器大多用铜和硅和金制造，它的结构简单，传热面积大，效率高。光直翅片换热系数和阻力损失都比较小，只用在对阻力要求特别严格的场合。为了增强气流的扰动，破坏边界层以强化传热，可以采用锯齿翅片或多孔翅片等翅片型式。其中锯齿翅片对促进流体的湍流，破坏热阻边界十分有效，传热系数比光直翅片高30%以上。大多数中冷器都采用锯齿形翅片。
（2）管翅式中冷器管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来，其热气侧通道是多孔的成型管材。与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材，简化了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造成的接触热阻，提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道，难以采用绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。
3）风冷式中冷器的构造和工作原理（以板翅式为例）
1）基本单元
冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。因而，这样的结构基本单元体也就是进行热交换的基本单元。将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。一般情况下，从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发，板束顶部
和底部还各留有若干层假翅片层(又称强度层或工艺层)。在板束两端配置适当的流体出入口封头，即可组成一台板翅式热交换器。
2）翅片的单元和形式翅片是板翅式热交换器的最基本元件。冷热流体之间的热交换大部分通过翅片，小部分直接通过隔板来进行。正常设计中，翅片传热面积大约为热交换器总传热面积的67％～88％。翅片与隔板之间的连接均为完善的钎焊，因此大部分热量传给翅片，通过隔板并由翅片传给冷流体。由于翅片传热不像隔板那样直接传热，故翅片又有二次表面之称。
二次传热面一般比一次传热面的传热效率低。但是如果没有这些基本的翅片就成了无波纹的最简易的平板式热交换器了。美国加利福尼亚大学和埃姆兹航空实验室分别对没有翅片和有翅片的热交换器进行试验证明，有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了18％以上。假如设计的翅片效率最低为70％时，其重量可减少10％。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用。尽管翅片和隔板材料都很薄，但由此构成的单元体的强度很高，能承受较高的压力。
翅片的型式很多，如：平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片等。以下介绍其中的几种常用型式：
①平直翅片又称光滑翅片，是最基本的一种翅片。它可由薄金属片滚轧(或冲压)而成。平直翅片的特点是有很长的带光滑壁的长方形翅片，当流体在由此形成的流道中流动时、其传热特性和流动特性与流体在长的圆管中的传热和流动特性相似。这种翅片的主要作用是扩大传热面，但对于促进流体湍动的作用很少。相对于其他翅片，它的特点是换热系数和阻力系数都比较小，所以宜用于要求较小的流体阻力而其自身传热性能又较好(如液侧或发生相变)的场合。此外，翅片的强度要高于其他类型的翅片。故在高原板翅式换热器中用得较多。
②锯齿翅片它可以看作平直翅片被切成许多短小的片段，相互错开一定的间隔而形成的间断式翅片。这种翅片对促进流体的湍动，破坏热边界层十分有效。在压力损失相同的条件下，它的传热系数要比平直翅片高30％以上，故有高效能翅片之称。锯齿形翅片传热性能随翅片切开长度而变化，切开长度越短，其传热性能越好，但压力降增加。在传热量相同的条件下，其压力损失比相应的平直翅片小。该种翅片普遍用于需要强化传热(尤其是气侧)的场合。
③多孔翅片它是在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而成的。多孔翅片开孔率一段在5％～10％之间，孔径与孔距无一定关系。孔的排列有长方形、平行四边形和正三角形二种，我国目前采用的多孔翅片，孔径为Φ2．15、Φ91．7，孔距为6．5mm、3．25mm正三角形排列。翅片上的孔使传热边界层不断破裂、更新，提高了传热效果。它在雷诺数比较大的范围内(10’一10‘)具有比平直翅片高的换热泵效，但在高雷诺效范围会出现吸音和振动。翅片上开孔能使流体在翅片中分布更加均匀，这对于流体中杂质颗粒的冲刷排除是有利的。多孔翅片主要用于导流片及流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。
④波纹翅片它是在平直翅片上压成一定的波形(如人字形，所以又称人字形翅片)，使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍动，分离或破坏热边界层。其效果相当于翅片的折断，波纹愈密，波幅愈大，其传热性能就愈好。我国常用的组片有平直、多孔和锯齿形翅片三种，并用汉语拼音符号和数字统一表示翅片的型式与几何参数。如70PZ2103，则表示PZ——平直翅片，70——6.5mm翅高，21——2.1mm节距，03——0.3mm翅厚。如是多孔形，则为DK，锯齿形则为JC，几何参数表示法相同。
（3）导流片和封头
为了便于把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到封头中，一般在翅片的两端均设有导流片。导流片也起保护较薄的翅片在制造时不受损坏和避免通道被钎剂堵塞的作用。它的结构与多孔翅片相同，但其翅距、翅厚和小孔直径比多孔翅片大。封头的作用就是集聚流体，使板束与工艺管道连接起来。导流片与封头的示意图如图2-6。
根据各种结构型式的板翅式热交换器，导流片可布置成如图2-7所示的几种型式。图中I型主要是由于在热交换器的端部有两个以上的封头，因此要用导流片把流体引导到端部一侧的封头内。Ⅱ型布置是由于在热交换器端部有三个以上的封头，需要把一股流体引导到中间封头内。Ⅲ型布置主要是用于热交换器端部敞开或仅有一个封头情况下。Ⅳ型是为了满足把封头布置于两侧而设计的。V型布置是为满足管路布置需要而采用的。应注意到设置导流片并不一定能完全克服流体在流道内分配不均匀的问题，因为分配是否均匀还与流体的状态有关。
3中冷器的设计计算
3.1中冷器结构参数及使用工况
3.2中冷器参数计算
3.2.1中冷胎冷侧散热面积F的计算
式中:Su为单根冷却管的散热面积，m2（表1求出，下同）；il为冷却管根致;SI为冷却管散热面积，m2;S2为散热带的散热面积，m2;S2为单根散热带的散热面积。m2;i2为散热带根数。
3.2.2发动机要求的热侧空气流
体积流量
同理
式中:Sg为冷却管的通道面积，m2;Sgi为单根冷却管内腔的截面积，m2;SW为紊流片料厚所占的面积，m2;S3为中冷器热侧通道有效面积，m2。
而
可见此流速在最佳流速范围内。
3.2.3中冷器的迎风面积
中冷器冷侧通过面积
所以，冷风通过率
4柴油机中冷器的CFD模拟优化
增压中冷系统对柴油机的动力性、经济性和环保具有重要的贡献。因此在车用柴油机上得到了普遍应用。由于我国在发展车用柴油机增压中冷技术方面的工作起步较晚，对中冷器的设计尚未形成一套完整的理论，有关中冷器性能的评价方法也未形成统一的标准。因此，在相关中冷器产品开发过程中，往往需要在整机上进行大量的匹配试验，造成开发周期和费用的增加，不能满足增压中冷应用的需要。现在国际上流行的设计、研究方法大多是先采用计算机模拟、设计，然后实验验证的方式。这样既可以大大的缩短产品开发、设计周期，又可以降低开发成本。本论文增压柴油机的中冷器的设计研究采用通用的商用CFD(Computational Fluid Dynamics,即计算流体动力学,简称CFD)软件Fluent,进行虚拟设计开发研究。
4.1 CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性
车用中冷器由于各种条件的约束，主要有管翅式和板翅式两种类型。相对而言，管翅式中冷器目前应用越来越广泛。管翅式换热器是一种高效、紧凑式换热器,随着加工工艺技术的发展,其应用范围不断扩展,目前广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨、船舶和车辆等工业领域,其突出优点是结构紧凑、便于多股流布置、小温差和大温降换热。而传统的管翅式换热器设计一般仅依靠简单的理论、长期积累的经验及实验分析来确定管翅式换热器的结构形式,但是这需要大量的实验经费以及很长的实验周期,而且这样得到的结构形式并不能确保为最佳的方案,为此需要探索更加有效、便捷的设计研究方法。
我们从传统设计流程图中可以看到在传统的管翅式换热器设计过程中,对中冷器的设计可行与否往往取决于实验验证。为保证中冷器性能稳定,就不得不进行大量试验。而且产品方案的筛选和优化是在设计、制造和测试部门之间进行大循环,由于牵涉的环节多,产品的开发周期长、费用高;而对于工程设计而言,往往又需要进行对方案选择、优化。
4.2管翅式中冷器的CFD设计
利用Fluent模拟计算中冷器，涉及到中冷器中流体的流动和传热。涉及计算的一般步骤是：几何建模、划分网格、边界设定、物理模型选择、计算和后处理。
4.2.1中冷器的建模
利用Proe软件该中冷器进行建模工作。然后将建成的模型导入Gambit中，Gambit是CFD商用软件Fluent的前处理软件，主要作用是建立网格模型。其功能非常强大，可以建立各种几何体，然后在几何体上面划分网格和设立边界条件，最后将生成的网格文件导入Fluent中进行计算。我们在对管翅式中冷器的结构研究不构成很大影响的前提下，对所选中冷器进行适当简化.
建立合理的数学模型，中冷器建模后分为三部分，进气道、出气道、芯体；其中芯体部分做如下简化：只做出增压空气通道，而冷却介质通道挖空，冷气热气之间做对流换热；将进气道、芯体、出气道连为整体。这有助于计算量的减少和计算精度的保证。导入Gambit中的模型如图5-1。
4.2.2网格划分
完成了建模工作后，因为CFD软件是建立在有限元分析的基础上。因此对所建立的模型进行网格划分。
在Gambit中，对划分网格的规定是：对于二维模型可划分三角形、四边形单元，而四边形单元的计算精度高；对于三维模型可划分为四面体、五面体和六面体单元，相对而言六面体单元的计算精度高。
本次设计计算采用三维六面体单元对中冷器模型进行划分网格。对于热的压缩空气直接取其中冷器的空气进出口为边界。网格划分的设置如图5-2所示。网格单元取size=5，网格划分后，总共有1780881个六面体单元，对模型进行处理，改进后的模型如图5-3所示：
4.3结果分析
从上面的中冷器内部静态压力、速度和温度的云图分布，我们可以看出：1、通过静态压力云图：
(1)中冷器的压力呈层状分布，进气道压力由上到下逐渐增大，但压力变化的不大，而出气侧正好相反。这说明高压的
原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/yzlw/302292.html
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