基于流固耦合模型的負(fù)壓式EGR閥傳熱研究

付磊， 李良 ， 羅云蓉 ， 李澤平 ， 趙貽富

(1. 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 四川 自貢 643000；2. 過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 自貢 643000；3. 宜賓天瑞達(dá)汽車零部件有限公司， 四川 宜賓 644600)

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基于流固耦合模型的負(fù)壓式EGR閥傳熱研究

付磊1,2， 李良1， 羅云蓉1， 李澤平3， 趙貽富3

(1. 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 四川 自貢 643000；2. 過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 自貢 643000；3. 宜賓天瑞達(dá)汽車零部件有限公司， 四川 宜賓 644600)

采用CFD方法，建立了由閥體和閥體內(nèi)的流體組成的負(fù)壓式EGR閥的流固耦合傳熱仿真模型，進(jìn)行了流體與固體之間的共軛傳熱仿真。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，在上閥體設(shè)計(jì)冷卻水道，有助于改善閥體的換熱狀況，能很好地滿足安裝在上閥體的密封環(huán)以及其他附件工作溫度要求。

負(fù)壓式EGR閥； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)； 流固耦合； 傳熱； 溫度場(chǎng)

EGR閥是安裝在汽油機(jī)、柴油機(jī)上的非常關(guān)鍵的廢氣再循環(huán)裝置，EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體溫度高。如果設(shè)計(jì)前不進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析，不清楚各組件安裝部位的溫度，無設(shè)計(jì)依據(jù)，易造成選材及設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤，所以為保證設(shè)計(jì)和研發(fā)的成功，在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)前必須要進(jìn)行溫度場(chǎng)分析和熱計(jì)算[1-3]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流固耦合傳熱的研究較多，而對(duì)于EGR閥的流固耦合研究甚少，且已有研究主要是針對(duì)EGR閥內(nèi)部流體的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，而很少涉及系統(tǒng)的流固耦合傳熱[4-5]。呂正濤等對(duì)EGR閥內(nèi)流體進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究[6]，僅對(duì)閥內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，而對(duì)于EGR系統(tǒng)的流固耦合傳熱對(duì)閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響尚未涉及。

本研究針對(duì)此類問題，以TE603負(fù)壓式EGR閥為研究對(duì)象，采用ICEM軟件對(duì)EGR閥閥體、閥桿、高溫氣體以及冷卻水組成的耦合系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱量在流體和固體之間傳遞，對(duì)其交界面進(jìn)行了耦合處理，使得耦合系統(tǒng)中固體域以及流體域的溫度場(chǎng)在單一計(jì)算模型中得以實(shí)現(xiàn)。模擬過程使用閥門最大開度進(jìn)行分析，得到了有無冷卻水兩種情況下閥體和閥桿的溫度場(chǎng)，針對(duì)兩種情況下的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，提出了在上閥體增加冷卻水道的設(shè)計(jì)方案。EGR試驗(yàn)以及仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能夠很好地改善閥體的換熱狀況，滿足安裝在上閥體上的密封環(huán)以及其他附件對(duì)工作溫度的要求。

1 流固耦合傳熱分析及基本原理

1.1 流固耦合傳熱分析

負(fù)壓式EGR閥耦合傳熱系統(tǒng)包括流體與固體之間的耦合傳熱(冷卻水、高溫氣體與閥體，高溫氣體與閥桿)、固體與固體之間的耦合傳熱(閥桿、石墨墊與閥體)以及閥體與空氣的對(duì)流換熱。對(duì)于這種流體與固體之間的對(duì)流換熱問題，由于受到流體與壁面之間相互作用的制約，因此，熱邊界條件無法預(yù)先給定。像這類熱邊界條件由熱量交換過程動(dòng)態(tài)地決定而不能預(yù)先給定的問題，稱為流固耦合共軛傳熱系統(tǒng)。因此，在進(jìn)行負(fù)壓式EGR閥溫度場(chǎng)分析時(shí)要同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流兩種傳熱方式[7-9]，其中，閥體內(nèi)腔與冷卻水、高溫氣體的接觸邊界采用流固耦合共軛傳熱。

1.2 流固耦合傳熱基本原理

冷卻水、高溫氣體分別在EGR上閥體以及下閥體中的流動(dòng)和傳熱過程可視為3個(gè)物理問題：1)黏性不可壓縮流體在閥體內(nèi)的湍流流動(dòng)；2)黏性不可壓縮流體與閥體壁面之間的對(duì)流傳熱；3)上閥體、下閥體、石墨墊機(jī)體內(nèi)的熱傳導(dǎo)。分別用流體流動(dòng)、流體對(duì)流傳熱以及固體熱傳導(dǎo)3個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述以上3個(gè)物理問題。因此，EGR閥流固耦合共軛傳熱的數(shù)學(xué)模型包括冷卻水和高溫氣體的流動(dòng)與傳熱模型、固體導(dǎo)熱模型、冷卻水以及高溫氣體與閥體復(fù)雜接合面的共軛傳熱模型[10]。

1) 流體流動(dòng)控制方程

對(duì)于冷卻水和高溫氣體在EGR閥內(nèi)流動(dòng)與傳熱計(jì)算，將其流動(dòng)視為三維穩(wěn)態(tài)黏性不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，利用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型等控制方程對(duì)問題進(jìn)行求解，具體方程見文獻(xiàn)[11]，在此不再贅述。

2) 流體域傳熱控制方程

流體流動(dòng)與傳熱利用能量守恒原理進(jìn)行描述，即

(1)

式中：ρ為流體密度；h為流體的焓；u為流速；p為壓力；t為時(shí)間。

3) 固體域傳熱控制方程

將上閥體、下閥體、閥桿以及石墨墊固體域內(nèi)的傳熱過程視為無內(nèi)熱源、穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)過程，即

·(λT)=0。

(2)

4) 流固耦合共軛傳熱邊界控制方程

根據(jù)能量守恒可知，在流固耦合交界面處，流體吸收的熱量等于固體傳出的熱量。所以，根據(jù)傅里葉(Fourier)熱傳導(dǎo)定理得出的EGR閥流固耦合共軛傳熱邊界條件控制方程如下[12]：

(3)

式中：λ為固體域?qū)嵯禂?shù)；n為固體域壁面外法線；hconv為熱對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 下標(biāo)W表示固體壁面；下標(biāo)f表示流體壁面；Tf為流體與固體交界面處流體的溫度；TW為固體與流體交界面處固體溫度。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 負(fù)壓式EGR閥的結(jié)構(gòu)原理以及工況

通常在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管和排氣管之間安裝負(fù)壓式EGR閥，負(fù)壓式EGR閥的閥體部分主要包括上閥體、下閥體、閥桿、錐閥、閥座，結(jié)構(gòu)材料及工況見表1，其工作原理和具體結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。負(fù)壓式EGR閥工作原理如下：1)非工作狀態(tài)。在彈簧的預(yù)緊力作用下，膜片中心區(qū)域產(chǎn)生向下的變形，使得閥座緊貼在閥體進(jìn)氣端內(nèi)壁上，此時(shí)無氣體通過。2)工作狀態(tài)。閥門靠真空泵提供的真空打開，真空泵將真空引入膜片上方的真空室，由于膜片的下端直通大氣，使得膜片的上、下表面產(chǎn)生壓力差。當(dāng)膜片上、下表面的壓力差大于彈簧的預(yù)緊力時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，向上拱起，從而帶動(dòng)閥座上升，閥門開啟，這樣來自排氣管的廢氣就能夠通過閥門與進(jìn)氣混合進(jìn)入燃燒室[13-14]。而EGR閥門開度控制又是通過真空調(diào)節(jié)器的開度來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)真空調(diào)節(jié)器的開度較小，膜片上、下表面壓力差低于彈簧預(yù)緊力，閥門關(guān)閉。

表1 負(fù)壓式EGR閥結(jié)構(gòu)名稱及工況(工作溫度700 ℃)

2.2 模型的建立

TE603負(fù)壓式EGR閥的三維實(shí)體模型的建立采用UG三維繪圖軟件，由于閥體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在保證相關(guān)物理量準(zhǔn)確的前提下，對(duì)模型的部分過渡圓角、倒角以及小尺寸的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立的三維實(shí)體模型見圖3。利用Ansys workbench14.0軟件中的 ICEM網(wǎng)格劃分工具對(duì)EGR閥閥體、高溫氣體以及冷卻水道的三維模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，采用了四面體的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格之前對(duì)流體的進(jìn)出口、固體壁面、流體壁面以及流固耦合交界面進(jìn)行命名[15]。整個(gè)模型中共有節(jié)點(diǎn)318 209個(gè)，單元1 644 523個(gè)，有限元模型網(wǎng)格見圖4。網(wǎng)格劃分完成后利用Ansys CFX14.0進(jìn)行求解計(jì)算。

2.3 流動(dòng)邊界條件及傳熱邊界條件設(shè)置

一般情況下，EGR閥的工作狀況比較惡劣，通過其內(nèi)部的氣體最高溫度達(dá)700 ℃，進(jìn)氣壓差在30～40 kPa(表壓)之間。本研究選取典型工況進(jìn)行仿真分析，研究閥門最大升程時(shí)的情況。在CFX軟件中，入口邊界條件設(shè)置為速度入口，假設(shè)流體速度在入口處均勻分布，不考慮流體介質(zhì)重力。具體邊界條件設(shè)置分有冷卻水和無冷卻水兩種情況。有冷卻水情況邊界條件設(shè)置為冷卻水道入口處流體介質(zhì)速度1.5 m/s，溫度90 ℃，流體介質(zhì)為水；高溫氣體入口速度為405 m/s，溫度為700 ℃，流體介質(zhì)為空氣；兩進(jìn)口的湍流強(qiáng)度(Turbulent Intensity)均設(shè)置為5%；出口采用壓力出口邊界條件(Pressure-outlet)，相對(duì)壓力為0 MPa，湍流定義方法與入口相同。無冷卻水邊界條件的設(shè)置除不考慮冷卻水外，其他與有冷卻水的情況完全相同。

對(duì)于EGR閥耦合傳熱系統(tǒng)熱邊界的設(shè)置，耦合傳熱邊界面的設(shè)置是關(guān)鍵，其中，冷卻水、高溫氣體與閥體，高溫氣體與閥桿都屬于流固耦合共軛傳熱面。CFX軟件可以計(jì)算共軛傳熱問題，傳熱面(EGR閥內(nèi)腔壁面與流體外表面)是重合的兩個(gè)壁面(Wall)，它們構(gòu)成接觸對(duì)。因此，在CFX計(jì)算中必須進(jìn)行設(shè)置，將它們的邊界條件(Boundary Condition)由壁面調(diào)整為交界面 (Interface)，并在域交界面設(shè)置(Domain Interface)中定義交界面類型(Interface Type)為流固耦合交界面，它們的網(wǎng)格連接方式(Mesh Connection)為GGI。在這個(gè)交界面上就能完成熱量的熱固耦合傳遞(即熱量從高溫氣體通過閥體內(nèi)壁面對(duì)流傳遞給閥體(固體域)；經(jīng)過閥體的導(dǎo)熱，再通過上閥體冷卻水道內(nèi)壁面的對(duì)流換熱傳遞給冷卻水道內(nèi)的冷流體，通過如此的循環(huán)熱交換實(shí)現(xiàn)了對(duì)閥體的冷卻)。閥體外壁面與外界環(huán)境的熱交換采用第三類熱邊界條件(對(duì)流換熱)，外界環(huán)境溫度設(shè)置為50 ℃，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境處于風(fēng)冷狀態(tài)，所以，閥體外壁面與空氣之間的熱交換屬于強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流條件下，工程實(shí)際中一般將空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)取為100 W/(m2·K)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 下閥體流場(chǎng)分布

通過數(shù)值仿真計(jì)算，得到了在閥門最大升程下下閥體高溫氣體的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布圖(見圖5和圖6)。為了便于觀察，以閥的對(duì)稱中心面為輔助平面，觀察其速度和壓力的分布。從速度場(chǎng)可以看出：氣體在剛進(jìn)入閥的時(shí)候速度變化不大，在經(jīng)過閥座時(shí)，速度變化比較明顯，在閥座與壁面的狹窄間隙，氣流速度可以達(dá)到200 m/s以上；通過狹窄區(qū)域后，氣流速度又降了下來，氣流在閥座左、右側(cè)上方出現(xiàn)一個(gè)速度值相對(duì)于周圍區(qū)域較小的“孤島區(qū)域”，“孤島區(qū)域”上方靠近閥桿處，氣體流速明顯升高，氣體流速較高的區(qū)域，熱交換充分，因此，這些區(qū)域的閥體、閥桿溫度高。從壓力場(chǎng)可以看出：氣體在剛進(jìn)入閥的時(shí)候壓力變化不大，在通過閥座后，壓力明顯下降，在閥座上下之間形成比較大的壓力差；與速度場(chǎng)類似，在閥座左、右側(cè)上方的區(qū)域中，都存在一個(gè)壓力相對(duì)于周圍區(qū)域較小的“孤島區(qū)域”，這是因?yàn)樵谶@些區(qū)域內(nèi)，流場(chǎng)速度很小，這樣流場(chǎng)的動(dòng)壓也很小，從而導(dǎo)致總壓低于旁邊區(qū)域。

3.2 原設(shè)計(jì)方案(無冷卻水道)閥體耦合系統(tǒng)溫度場(chǎng)

圖7示出了閥體耦合系統(tǒng)對(duì)稱中心面溫度分布，該圖反映了上下閥體、高溫氣體、閥桿的溫度分布情況。從圖中可見，閥體溫度變化較為劇烈，從最低溫度352 ℃到最高597 ℃，變化范圍達(dá)到245 ℃，整個(gè)閥體溫度分布梯度大。最高溫度出現(xiàn)在下閥體與高溫氣體接觸的內(nèi)壁面處，溫度高達(dá)到597.8 ℃。從圖8上閥體溫度分布圖可以看出，在上閥體頂部安裝其他附件部位處，溫度在405～456.2 ℃范圍內(nèi)，此溫度范圍遠(yuǎn)超出相關(guān)組件選材以及設(shè)計(jì)的溫度要求。從圖9和圖10可知，在密封裝置與上閥體和閥桿接觸處，上閥體和閥桿的溫度分別為434 ℃和466 ℃。密封裝置材料最高耐溫為180 ℃，此溫度不符合密封組件選材以及設(shè)計(jì)的溫度要求。

模擬計(jì)算結(jié)果表明，閥體溫度較高，熱負(fù)荷較大，溫度分布不均勻。上閥體頂部安裝其他附件部位處溫度超出相關(guān)組件選材以及設(shè)計(jì)的最高溫度要求，上閥體、閥桿與密封組件接觸處的溫度超出了密封裝置材料的工作溫度要求。同時(shí)，閥桿溫度分布梯度大，易導(dǎo)致熱變形。因此，要降低閥體和閥桿的最高工作溫度，改善其熱負(fù)荷，需要改進(jìn)原EGR閥的設(shè)計(jì)方案，在上閥體增設(shè)冷卻系統(tǒng)。

3.3 改進(jìn)方案(有冷卻水道)

綜合考慮各安裝附件以及密封組件耐溫性能要求，對(duì)原EGR閥設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，在上閥體安裝密封組件附近處設(shè)計(jì)內(nèi)徑為10 mm的環(huán)形冷卻水道，冷卻水道結(jié)構(gòu)見圖11。

圖12和圖13分別示出了有、無冷卻水冷卻時(shí)上閥體的溫度分布，圖14和圖15分別示出了有、無冷卻水冷卻時(shí)上閥體與密封裝置接觸處的溫度分布。從圖12與圖13對(duì)比可以直觀看出，有冷卻水時(shí)上閥體的溫度范圍為89.4～231.6 ℃，而無冷卻水時(shí)其溫度范圍為323.2～486.9 ℃，特別是在上閥體頂部安裝其他附件部位處，有冷卻水冷卻時(shí)最高溫度為160.5 ℃，而無冷卻水時(shí)最高溫度達(dá)到456.2 ℃，這一區(qū)域的溫度基本在405～456.2 ℃范圍內(nèi)，此溫度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相關(guān)組件的耐溫性能要求。對(duì)比圖14與圖15可以看出，有冷卻水時(shí)，在密封裝置接觸處上閥體的溫度變化范圍為143.7～156.2 ℃，而無冷卻水時(shí)，這一區(qū)域上閥體的最高溫度達(dá)到475 ℃，遠(yuǎn)超出密封組件的工作溫度要求。具體結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 有無冷卻水時(shí)溫度對(duì)比 ℃

綜上所述，增加冷卻水道后閥體冷卻效果比較理想，上閥體安裝附件處以及密封裝置接觸處溫度均達(dá)到相關(guān)工作溫度要求。

4 試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

由于EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以要開展閥體內(nèi)部流體流動(dòng)傳熱試驗(yàn)研究比較困難。因此，試驗(yàn)中選取上閥體頂部溫度作為測(cè)量對(duì)象。測(cè)點(diǎn)位置見圖16。溫度測(cè)量采用熱電偶測(cè)溫法。

實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。由實(shí)測(cè)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見，仿真計(jì)算結(jié)果的最大誤差為7%，說明流固耦合傳熱模擬計(jì)算具有足夠的精度。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比(有冷卻水時(shí))

5 結(jié)束語

針對(duì)負(fù)壓式EGR閥的傳熱問題進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明，在上閥體未設(shè)計(jì)冷卻水道的情況下，上閥體、閥桿與密封組件接觸處的溫度超出了密封裝置以及其他附件的工作溫度要求。對(duì)上閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在上閥體密封裝置處設(shè)計(jì)了環(huán)形冷卻水道，并對(duì)有、無環(huán)形冷卻水兩種情況進(jìn)行仿真對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)有冷卻水時(shí)閥體散熱效果較好，上閥體溫度滿足密封裝置以及其他附件工作溫度要求。仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的最大誤差為7%，說明流固耦合傳熱數(shù)值模擬具有足夠的精度。

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[編輯： 姜曉博]

Heat Transfer of Negative Pressure EGR Valve
Based on Fluid-solid Coupled Model

FU Lei1,2， LI Liang1， LUO Yunrong1,2， LI Zeping3， ZHAO Yifu3

(1. College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China;
2. Key Laboratory in Sichuan Colleges on Industry Process Equipments and Control Engineering, Zigong 643000, China;
3. Yibin Tianruida Auto Parts Co., Ltd., Yibin 644600, China)

The fluid-solid coupled heat transfer model for the negative pressure EGR valve consisting of valve body and its fluid inside was established with CFD method and the conjugate heat transfer simulation between fluid and solid structure was conducted. The results of simulation and experiment show that the designed cooling passage in upper valve is beneficial to improve the heat exchange of valve body and can meet well the working temperature requirements of sealing ring and other accessories in upper valve.

negative pressure EGR valve； CFD； fluid-solid coupling; heat transfer； temperature field

2015-05-03；

2015-07-08

過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(GKYJ201101，GK200907，GK201205，GK201403)；材料腐蝕與防腐四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(2012CL10);四川省教育廳項(xiàng)目(13ZA0129)

付磊(1977—)，男，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)及CAE技術(shù)；kunmingfulei@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.015

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1001-2222(2015)06-0073-06