基于CFD的中冷器內(nèi)阻計(jì)算

于海燕

（上海馬勒熱系統(tǒng)有限公司，上海 201206）

關(guān)鍵字：中冷器；CFD；內(nèi)阻

1 緒論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，非再生資源的緊缺、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們?cè)絹碓疥P(guān)注汽車尾氣污染等排放問題，不再僅僅滿足于汽車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能的提高，同時(shí)國(guó)家對(duì)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能己經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)中一個(gè)重要指標(biāo)。增壓中冷系統(tǒng)不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，還能夠顯著地降低污染物，對(duì)于改善和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能具有重要的意義。但是增壓后的空氣由于溫度較高，不宜直接進(jìn)入燃燒室，因此帶廢棄渦輪增壓的車型都會(huì)配備中冷器對(duì)增壓后的空氣進(jìn)行冷卻。但是中冷器會(huì)增加空氣阻力，使增壓空氣的壓力下降，導(dǎo)致增壓效果減小，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)變慢。所以除換熱性能之外，中冷器的內(nèi)阻也是一個(gè)重要指標(biāo)，但在由于空氣的流場(chǎng)較為復(fù)雜，在前期設(shè)計(jì)時(shí)，很難精確計(jì)算中冷器的內(nèi)阻，不能確定設(shè)計(jì)方案能否滿足客戶要求。因此，在設(shè)計(jì)方案階段，通過CFD方法模擬中冷器的內(nèi)阻是一種常用方法。

2 原理分析

本文主要針對(duì)風(fēng)冷式的中冷器進(jìn)行分析，風(fēng)冷式中冷器一般主要是由散熱管、翅片和進(jìn)出氣室組成，如圖1。

從圖1可知，首先經(jīng)過渦輪增壓器后的高溫氣體通過管路進(jìn)入中冷器氣室，氣體通過氣室擴(kuò)散流入與氣室相連接的扁管內(nèi)，為增加內(nèi)部擾流作用，扁管內(nèi)一般還有內(nèi)翅片，同時(shí)，扁管外部還有外翅片，這些都能保證管內(nèi)高溫氣體能夠很好的換熱，高溫氣體經(jīng)過扁管冷卻后進(jìn)入出氣室，然后整過整流后流出中冷器經(jīng)管路進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

而中冷器內(nèi)部增壓空氣的壓力損失是中冷器的重要考核指標(biāo)，熱側(cè)壓力損失，包括換熱扁管內(nèi)的摩擦阻力損失、熱側(cè)冷卻管進(jìn)口和出口處流體因流通截面變化突然收縮和突然膨脹引起的附加壓力損失，即總的壓力損失可如下表達(dá)[1]：

上式中：

△P1為中冷器熱側(cè)入口處的壓力降；

△P2為中冷器熱側(cè)出口壓力回升；

△P3為中冷器熱側(cè)內(nèi)部芯子的壓力降；

由于本公司的中冷器的芯子部分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因此，在考慮設(shè)計(jì)方案時(shí)，芯子設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，因此，芯子部分的壓力優(yōu)化空間較小，在設(shè)計(jì)主要考慮進(jìn)氣室和出氣室壓力降的優(yōu)化。

因此本文主要是通過CFD方法，通過優(yōu)化氣室形狀，來降低中冷器的內(nèi)阻。

3 仿真分析方法

3.1 模型的建立及描述

本文主要研究的是中冷器的結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部高溫高壓氣體造成的壓力損失，也就是通常所說的內(nèi)阻，利用STARCCM+軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的中冷器芯體和氣室進(jìn)行模擬計(jì)算，得到其進(jìn)出口之間的壓力損失，并通過流場(chǎng)進(jìn)行分析，找出影響中冷器內(nèi)阻的主要原因，然后進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低壓力損失，來滿足客戶要求。本文主要是將模型劃分為三部分：進(jìn)氣室、芯體和出氣室。

3.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分是CFD計(jì)算中的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)網(wǎng)格的質(zhì)量好壞也對(duì)計(jì)算有很大的影響，所以CFD計(jì)算一定要保證網(wǎng)格質(zhì)量，才會(huì)保證計(jì)算結(jié)果精確。本文所有數(shù)值模型的離散網(wǎng)格均采用了六面體與H棱柱相結(jié)合的整體網(wǎng)格，考慮到結(jié)構(gòu)不同，將氣室和芯子分別劃分網(wǎng)格，中冷器管子結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格，進(jìn)氣管路和出氣管路也采用六面體網(wǎng)格，并劃分邊界層；而中冷器進(jìn)、出氣室由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對(duì)其采用適用性強(qiáng)、適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的四面體網(wǎng)格。

3.3 邊界條件及物理模型

在數(shù)值計(jì)算過程中，邊界條件的設(shè)定是一個(gè)十分重要的因素，給定的邊界條件正確與否將直接影響結(jié)果的正確性。本文所需要的邊界條件有流體域入口邊界和出口邊界、流固壁面邊界、固體域壁面邊界。

進(jìn)口邊界條件一般按照客戶給定條件，設(shè)定壓力和質(zhì)量流量，同時(shí)為了考了空氣密度隨溫度的變化，要給定相應(yīng)的入口溫度。

對(duì)于出口的邊界條件一般給定出口靜壓，一般考慮為大氣壓力。對(duì)于芯子部分的條件，由于本公司有相應(yīng)的二維軟件對(duì)芯子部分的阻力進(jìn)行模擬，所以一般是將芯子部分看作多孔介質(zhì)，賦予其阻力曲線。

4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 管徑對(duì)內(nèi)阻的影響

針對(duì)某中冷器，根據(jù)客戶要求改變不同的進(jìn)出管口直徑對(duì)內(nèi)阻要求進(jìn)行分析，從圖2中內(nèi)阻占比來看，因?yàn)楣芸谠龃螅瑲馐也糠肿枇档停硗猓瑥姆植忌峡矗M(jìn)口側(cè)的阻力要遠(yuǎn)大于出口側(cè)阻力，這也說明了改變進(jìn)口側(cè)的直徑對(duì)內(nèi)阻的影響要大于出口側(cè)的直徑變化。

圖2 不同管徑的內(nèi)阻占比

另外，從速度的分布來看，僅僅是改變管口，對(duì)流場(chǎng)的分布影響不是很大，如圖3和圖4的對(duì)比可以看出，管口的直徑的變化并沒有對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行較大的改變，影響流場(chǎng)分布的主要是氣室形狀。

圖3 D=45mm

圖4 D=50mm

計(jì)算結(jié)果：

如表1中計(jì)算結(jié)果，僅僅是將管口直徑從45mm增加到50mm，內(nèi)阻就從5669Pa降低到4392Pa，內(nèi)阻降低了22%，這也說明了管口直徑對(duì)內(nèi)阻的影響很大，如果內(nèi)阻要求比較高的情況下，管口直徑需要盡量做大，這樣才能最大程度上優(yōu)化內(nèi)阻。

表1 CFD模擬結(jié)果

4.2 氣室形狀對(duì)內(nèi)阻的影響

針對(duì)某項(xiàng)目的中冷器，在滿足性能的情況下，內(nèi)阻偏高，但芯子部分設(shè)計(jì)已經(jīng)確定，所以只能調(diào)整氣室部分的內(nèi)阻，通過圖4可以看出，氣室內(nèi)流速分布不均勻，流阻偏大，解決方案是優(yōu)化氣室形狀，降低內(nèi)阻，圖5是優(yōu)化后的CFD分析結(jié)果，通過對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的氣室內(nèi)流速分布更加均勻，因此，阻力也較小，通過模擬對(duì)比結(jié)果，優(yōu)化后內(nèi)阻從6986Pa降低到6601Pa，降低了5.5%。

圖4 優(yōu)化前氣室流場(chǎng)分布

圖5 優(yōu)化后氣室流場(chǎng)分布

5 結(jié)論

通過分析，我們可以看出，在項(xiàng)目的開發(fā)階段，通過CFD分析，模擬中冷器的內(nèi)阻，并且可以對(duì)阻力進(jìn)行優(yōu)化，使用CFD分析方法更加方便快捷，這樣可以節(jié)約項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間，并且節(jié)省了做樣件驗(yàn)證性能的過程，成本上也有節(jié)約。