EGR冷卻器氣體均勻性數(shù)值模擬

洪洋，林龍，謝吳一，胡群英

(1.臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州 318020；2.浙江邦得利環(huán)保科技股份有限公司，浙江臺州 317000)

0 引言

廢氣再循環(huán)(EGR，Exhaust Gas Re-circulation)技術(shù)是將內(nèi)燃機(jī)在燃燒后排出氣體的一部分分離并導(dǎo)入進(jìn)氣側(cè)使其再度參與燃燒的技術(shù)，可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)原始NOx排放值，同時(shí)具有成本低、使用便捷、對原機(jī)改動(dòng)小的特點(diǎn)[1]，是滿足柴油機(jī)國五排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。EGR技術(shù)中的核心部件為EGR冷卻器，它具有將廢氣冷卻并重新導(dǎo)入進(jìn)氣側(cè)的作用。當(dāng)進(jìn)入EGR冷卻器各冷卻管的氣體不均勻時(shí)，EGR冷卻器的換熱性能會(huì)明顯下降，同時(shí)背壓會(huì)有一定程度的上升，并惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，由于EGR冷卻器的氣體不均勻會(huì)導(dǎo)致冷卻管溫度梯度過大從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致EGR冷卻器的壽命大大降低。此外，楊俊偉等[2]研究表明EGR分配不均會(huì)對各缸燃燒速度產(chǎn)生影響，金暉等人[3]也發(fā)現(xiàn)EGR分配均勻性對發(fā)動(dòng)機(jī)油耗有直接的影響。文中利用數(shù)值模擬的方法對某柴油機(jī)EGR冷卻器多種進(jìn)氣方案進(jìn)行分析對比，為EGR冷卻器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

EGR冷卻器內(nèi)部的流動(dòng)為三維定常湍流流動(dòng)，故在Fluent軟件中選用k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。k-ε湍流模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率，因而只對完整的湍流流場有效，方程如式(1)和式(2)所示[4]。

(1)

(2)

式中：Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Yk是由于在可壓縮湍流中過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù);Sk和Sε為用戶定義。

熱量傳遞方式有導(dǎo)熱、對流和輻射3種，而EGR冷卻器內(nèi)部絕大部分熱量傳遞是氣側(cè)與液側(cè)的對流。在Fluent軟件中，熱量傳遞的計(jì)算需要激活能量方程，通過能量源項(xiàng)來計(jì)算熱量傳遞過程。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

案例EGR冷卻器滿足國五階段排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為3.0 L。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)空間邊界與性能參數(shù)，利用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件完成EGR冷卻器的建模(如圖1所示)，形成外殼、水管、進(jìn)氣端蓋、出氣端蓋等實(shí)體模型，芯體(如圖2所示)由7個(gè)板翅式冷卻管組成，是冷卻器的核心零件，冷卻管按從左到右按1到7編號。由于氣體入口與冷卻器成90夾角，嚴(yán)重影響氣體均勻性，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多種進(jìn)氣端蓋方案(如圖3所示)，從而提升EGR冷卻器氣體均勻性。

圖1 EGR冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 EGR冷卻器芯體

圖3 各方案的進(jìn)氣端蓋

根據(jù)各EGR冷卻器方案實(shí)體模型，抽取內(nèi)表面形成氣側(cè)與液側(cè)的流道模型(如圖4所示)，并導(dǎo)入行業(yè)流行的網(wǎng)格處理軟件ANSA進(jìn)行模型處理。由于冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故網(wǎng)格劃分采用三角非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(Triangle Mesh)，同時(shí)為了保證冷卻器內(nèi)各細(xì)微處的計(jì)算精度，在EGR冷卻器芯體等關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并在冷卻器各個(gè)進(jìn)出口有一定的延長，防止出現(xiàn)回流等現(xiàn)象，提升收斂速度。以方案一為例，CFD網(wǎng)格如圖5所示，網(wǎng)格總數(shù)約198萬，其中面網(wǎng)格約24萬，體網(wǎng)格約174萬。

圖4 氣側(cè)與液側(cè)的流道模型

圖5 CFD網(wǎng)格模型

3 計(jì)算模型及邊界條件

3.1 計(jì)算模型

EGR冷卻器氣側(cè)與液側(cè)流速較低，故使用基于壓力的定常求解器進(jìn)行計(jì)算。為了保證計(jì)算精度，選用可實(shí)現(xiàn)型k-ε雙方程湍流模型，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力與速度耦合，并采用二階迎風(fēng)格式獲得更高的精度與更穩(wěn)定的耦合結(jié)果[4]。

3.2 邊界條件

(1)入口邊界條件。設(shè)置氣側(cè)、液側(cè)入口為質(zhì)量入口邊界條件，氣體流量為90 kg/h，溫度為600 ℃，液側(cè)流量為15 L/min，溫度為80 ℃，入口壓力根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的湍流強(qiáng)度與水力直徑。

(2)出口邊界條件。設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 評判指標(biāo)

研究EGR冷卻器氣體均勻性，必須使用合適的評判指標(biāo)，才能找到最優(yōu)的進(jìn)氣方案。文中使用以下評判指標(biāo)對氣體均勻性進(jìn)行評價(jià)：

(1)冷卻管的質(zhì)量流量及差異率。通過各冷卻管的質(zhì)量流量是EGR冷卻器的氣體均勻性的直接體現(xiàn)，并使用平均流量差異率M平均與最大流量差異率M最大對氣體均勻性進(jìn)行定量評判。

(3)

(4)

式中:Mi是第i根冷卻管的流量;Mavg是各冷卻管平均流量；Mtotal是各冷卻管總流量。

(2)冷卻管入口壓力。氣體流動(dòng)由壓力差產(chǎn)生，冷卻管的入口壓力能有效地反映冷卻管入口處的流動(dòng)情況。

(3)氣側(cè)阻力。EGR冷卻器氣側(cè)流動(dòng)由兩側(cè)壓力差產(chǎn)生，過大的氣側(cè)阻力會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入EGR冷卻器的氣體過少，影響排放性能。

(4)氣側(cè)流線。流線是同一時(shí)刻不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線，它能有效地反映不同質(zhì)點(diǎn)的流速方向，直觀地體現(xiàn)EGR冷卻器的氣體均勻性。

4.2 冷卻管的流量及差異率

圖6為該EGR冷卻器在各進(jìn)氣端蓋方案下冷卻管的質(zhì)量流量。從圖中可知：各方案質(zhì)量流量分布趨勢一致，均承現(xiàn)“兩邊高，中間低”的現(xiàn)象，其中管3與管4流量最少，管1與管7流量較大。各方案中，方案一與方案二兩側(cè)流量與中間流量差異明顯，流量曲線承現(xiàn)“U”形分布，方案三與方案四流量曲線承現(xiàn)“W”形分布，兩側(cè)流量與中間流量差異較小。圖7為各冷卻管流量與平均流量的差異率，方案二中的管7差異最大，約為22.1%，方案四各管流量分布最均勻，各管差異率均小于10%。

圖6 各冷卻管質(zhì)量流量 圖7 各冷卻管流量差異率

根據(jù)式(3)與式(4)，計(jì)算出4個(gè)方案的平均流量差異率與最大流量差異率分別如圖8與圖9所示。從圖中可知，無論是平均流量差異率還是最大流量差異率，方案四較其他方案均為流量分布最均勻的方案。

圖8 各冷卻管平均流量差異率 圖9 各冷卻管最大流量差異率

4.3 冷卻管入口總壓云圖

圖10為各方案冷卻管入口總壓云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各方案總壓分布差別明顯：方案一氣體均勻性最差，氣體主要集中在冷卻管下部，導(dǎo)致下部流速較高，冷卻管殼溫度較高，與上部溫度梯度較大，極易產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品失效；方案二、方案三總壓分布較均勻，氣體均勻性有一定提升；方案四總壓分布最均勻，高壓區(qū)主要分布在入口中部，分布均勻，溫度梯度較小。

圖10 冷卻管入口總壓云圖

4.4 氣側(cè)阻力

EGR冷卻器的氣側(cè)阻力是評價(jià)EGR冷卻器性能的重要指標(biāo)，過高的氣側(cè)阻力會(huì)導(dǎo)致EGR率過低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。圖11是EGR冷卻器各進(jìn)氣方案的氣側(cè)阻力值。由圖中可知：在該工況條件下，各方案氣側(cè)阻力分別是1 101、1 027、985和924 Pa，呈遞減趨勢，與冷卻管流量差異率分布大致相同，因此較低的流量差異率可以降低氣側(cè)阻力。

圖11 各方案氣側(cè)阻力

4.5 氣側(cè)流線

圖12為各方案氣體入口到內(nèi)部芯體以速度為著色模式繪制的氣側(cè)流線圖。可以發(fā)現(xiàn)：各方案流速最大處均位于氣體入口處，之后沿進(jìn)氣端蓋形狀進(jìn)行擴(kuò)散，不同的端蓋形狀直接導(dǎo)致不同的擴(kuò)散結(jié)果，方案一與方案二氣體至冷卻管入口后主要集中在下部，方案三與方案四由于端蓋的引導(dǎo)，向冷卻管中部擴(kuò)散，明顯提升氣體均勻性。圖12氣側(cè)流線與圖10冷卻管入口總壓云圖相對應(yīng)，氣體集中處總壓較高。同時(shí)，在方案一、二中，氣體在進(jìn)氣端蓋內(nèi)出現(xiàn)了明顯的紊流現(xiàn)象，而在方案三、四中，氣體流動(dòng)平順，無明顯紊流現(xiàn)象。

圖12 各方案氣側(cè)流線圖

5 結(jié)論

(1)EGR冷卻器進(jìn)氣端蓋的形狀會(huì)顯著影響各冷卻管的質(zhì)量流量及流量差異率，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量利用進(jìn)氣端蓋的形狀引導(dǎo)氣體均勻擴(kuò)散到各冷卻管中，降低流量差異率；

(2)不當(dāng)?shù)腅GR冷卻器進(jìn)氣端蓋設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致各冷卻管進(jìn)氣處總壓分布不均勻，導(dǎo)致氣體流量集中，產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起產(chǎn)品失效；

(3)EGR冷卻器進(jìn)氣端蓋的形狀會(huì)影響冷卻器氣側(cè)阻力，較低的流量差異率可以降低氣側(cè)阻力；

(4)EGR冷卻器進(jìn)氣端蓋的形狀會(huì)顯著影響氣體擴(kuò)散形式，良好的進(jìn)氣端蓋設(shè)計(jì)可以使氣體流動(dòng)平順，消除氣體流動(dòng)的紊流現(xiàn)象，提升氣體均勻性。