電動(dòng)式EGR閥流固耦合共軛傳熱研究

付磊, 李良, 羅云蓉, 唐克倫, 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)

?

電動(dòng)式EGR閥流固耦合共軛傳熱研究

付磊1,2, 李良1, 羅云蓉1,2, 唐克倫1,2, 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)

通過CFD數(shù)值模擬的方法對型號(hào)為TE601的EGR閥進(jìn)行了流固耦合傳熱的數(shù)值模擬。模擬過程使用EGR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。針對兩種情況下的結(jié)果進(jìn)行分析對比，提出了冷卻水道的設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步分析計(jì)算閥體和閥桿的熱應(yīng)力和熱變形提供了理論依據(jù)。

EGR閥;數(shù)值模擬;流固耦合傳熱;耦合系統(tǒng);溫度場

引言

EGR閥(Exhaust Gas Recirculation，即廢氣再循環(huán)系統(tǒng))是一種安裝在汽、柴油機(jī)上用來控制反饋到進(jìn)氣系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)量的機(jī)電一體化產(chǎn)品。EGR閥將一部分廢氣引到吸入的新鮮空氣(或混合氣)，返回氣缸內(nèi)部進(jìn)行再循環(huán)參與燃燒的一種裝置，其作用是用來減少廢氣中的氧化氮(NOx)的排放量。研究表明在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，利用EGR閥適時(shí)、適量地將部分廢氣再次引入氣缸內(nèi)，因廢氣中的主要成份CO2比熱容比較大，所以廢氣可將燃燒產(chǎn)生的部分熱量吸收并帶出氣缸，并對混合氣有一定的稀釋作用，因此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的最高溫度和氧含量，從而減少了NOx化合物的生成量。因此，EGR閥是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中非常重要的裝置。

EGR閥主要分成機(jī)械式、電動(dòng)式兩大類。EGR閥與排氣歧管連接，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的排氣歧管出口溫度高達(dá)700 ℃，這樣導(dǎo)致EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體溫度高。由于，EGR系統(tǒng)的傳動(dòng)、控制系統(tǒng)等其它組件與EGR閥體裝配在一起，其相關(guān)組件都具有一定的工作溫度要求，因此，如果設(shè)計(jì)前不進(jìn)行溫度場的分析，在閥體安裝組件部位處的溫度不清楚，易造成EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選材方面的錯(cuò)誤，從而達(dá)不到產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計(jì)的目的和使用壽命。所以，本文針對此類問題，以型號(hào)為TE601的直流電機(jī)型EGR閥為研究對象，采用Hypermesh軟件以及ANSYS workbench軟件中fluent模塊對EGR閥閥體、閥桿、高溫氣體以及冷卻水組成的耦合系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合傳熱分析，為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱量在流體和固體之間傳遞，對其交界面進(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在單一計(jì)算模型中得以實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果較好地描述了閥體內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱情況[1-3]。同時(shí)，分別計(jì)算了有無冷卻水兩種情況下閥體和閥桿的溫度場，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，提出了改進(jìn)閥體設(shè)計(jì)的方案，為進(jìn)一步完善EGR閥設(shè)計(jì)、提高EGR閥工作性能提供了理論依據(jù)。

1 理論模型

EGR閥流固耦合共軛傳熱的理論模型包括冷卻水和高溫氣體的流動(dòng)與傳熱控制、冷卻水以及高溫氣體與閥體復(fù)雜接觸面的耦合傳熱控制方程、固體域傳熱控制方程。

1.1 流體流動(dòng)的控制方程

將冷卻水以及高溫氣體在EGR閥內(nèi)的流動(dòng)視為三維穩(wěn)態(tài)黏性不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[4-5]。

質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)，不可壓縮流動(dòng)，ρ為常數(shù)，則有：

(1)

動(dòng)量守恒方程(運(yùn)動(dòng)方程)：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

湍能能量方程：

(6)

湍能耗散率方程：

(7)

式中，u、v、w分別為流體在x、y、z三個(gè)方向的速度分量，下標(biāo)i,j,k=1,2,3；U為速度矢量；ρ為流體密度；μ為流體的動(dòng)力粘度；t為時(shí)間變量；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；P為流體壓力；T為流體溫度；Su、Sv、Sw為三個(gè)動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；Cp為流體比熱容；ST為粘性耗散項(xiàng)；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率。其中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，μt為湍流粘度，即：

(8)

(9)

其中，μi、μj為湍流的脈動(dòng)速度，C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在FLUENT中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型里，通常作為默認(rèn)值常數(shù)，取值分別為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍動(dòng)能k與湍流動(dòng)能耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

1.2 流固耦合傳熱分析以及傳熱控制方程

1.2.1流固耦合傳熱分析

EGR系統(tǒng)中的熱傳遞包括流體與固體之間的耦合傳熱(冷卻水與上閥體、高溫氣體與下閥體，高溫氣體與閥桿)、固體與固體之間的耦合傳熱(閥桿與閥體)以及閥體與空氣的對流換熱，熱邊界條件無法預(yù)先給定。對于某些流體與固體之間的對流換熱問題，熱邊界條件無法預(yù)先給定，而是受到流體與壁面之間相互作用的制約。對于這類熱邊界條件是由熱量交換過程動(dòng)態(tài)地加以決定而不能預(yù)先規(guī)定的問題，稱為共軛傳熱系統(tǒng)(或稱耦合傳熱系統(tǒng))[6-8]。因此，ERG閥在進(jìn)行溫度場分析時(shí)要同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)、熱對流兩種傳熱方式。

1.2.2固體域熱傳導(dǎo)的理論模型

FLUENT在計(jì)算固體域熱傳遞時(shí)使用的能量方程形式:

式中：ρ為密度，kg/m3；h為顯焓，kJ；k為傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；q?為體積熱源。

1.2.3流固耦合共軛傳熱的邊界條件

EGR閥流固耦合共軛傳熱形式主要包括熱對流、熱傳導(dǎo)兩類，邊界條件控制方程[9-10]：

式中：qW為流體與固體交界面熱流密度，J/(m2·s)；n為固體域壁面外法線；λ為固體域?qū)嵯禂?shù)，W/(m·K)；h對流換熱的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；下標(biāo)W表示固體壁面；下標(biāo)f表示流體壁面；TW為固體與流體交界面處固體溫度，K；Tf為流體與固體交界面處流體的溫度，K。

2 計(jì)算模型和邊界條件

2.1 直流電機(jī)型 EGR閥的結(jié)構(gòu)原理以及工況

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥控制系統(tǒng)和其它EGR系統(tǒng)相比，它取消了電磁閥元件和真空度，運(yùn)用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)EGR閥的工作形式。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥控制系統(tǒng)在工作中指令傳到直流電機(jī)芯片上，直流電機(jī)芯片通過接受到的指令隨時(shí)改變電機(jī)電壓，進(jìn)而改變EGR閥開啟程度，改變EGR率大小，提高內(nèi)燃機(jī)的燃燒標(biāo)準(zhǔn)。EGR閥作為EGR閉環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)部件，設(shè)計(jì)有冷卻水道的EGR系統(tǒng)(圖1)。EGR閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括閥體、閥桿、閥座、錐閥，機(jī)械部分的二維剖面圖如圖2所示，各組成部分的物性參數(shù)以及計(jì)算工況見表1。

圖1 EGR系統(tǒng)總成實(shí)物圖

圖2 EGR系統(tǒng)機(jī)械部分二維剖面圖

表1 EGR閥物性參數(shù)(工作溫度700℃)

2.2 有限元分析模型

EGR閥耦合傳熱系的建模采用Pro/ENGINEER建立，由于閥體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在保證相關(guān)物理量準(zhǔn)確的前提下，對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)行簡化處理，建立的三維實(shí)體模型，如圖3所示。利用Hypermesh軟件采用了四面體的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對EGR閥耦合系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對計(jì)算模型邊界進(jìn)行命名。整個(gè)有限元模型共有節(jié)點(diǎn)Node763 876個(gè)，單元Element448 212個(gè)，有限元模型圖如圖 4所示。利用ANSYSFLUENT13.0對有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算。

圖3 EGR閥耦合傳熱系統(tǒng)三維模型

圖4 EGR閥耦合傳熱系統(tǒng)有限元模型

2.3 流動(dòng)邊界條件及流體計(jì)算設(shè)置

一般情況下，EGR閥的工作狀況比較惡劣，通過其內(nèi)部的高溫氣體溫度在700 ℃左右，進(jìn)氣壓差在30kPa～40kPa(表壓)之間。本文選取典型工況進(jìn)行仿真分析，研究閥門最大升程時(shí)的情況。

在Fluent軟件中設(shè)置如下：(1)邊界條件設(shè)置為壓力出口和速度入口，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，冷卻水道入口處流體介質(zhì)速度設(shè)置為4.5m/s，溫度為90 ℃，流體介質(zhì)為純水，高溫氣體入口速度405m/s，溫度為700 ℃，流體介質(zhì)為空氣，邊界條件具體設(shè)置見圖 4；(2)湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型和壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(StandardWallFunctions)，流體介質(zhì)均視為不可壓縮流，將湍流強(qiáng)度(TurbulentIntensity)百分比和水力直徑(HydraulicDiameter)作為湍流的計(jì)算方法；(3)求解控制設(shè)置，選用壓力基、單精度求解器(PressureBasedSolver)，求解算法采用3D(三維空間)、Steady(定常流動(dòng))、Implicit(隱式算法)、AbsoluteVelocityFormulation(絕對速度)，模型中因涉及傳熱計(jì)算，故打開能量方程(EnergyEquation)；(4)求解精度控制，各物理量采用一階迎風(fēng)格式的收斂標(biāo)準(zhǔn)，保持FLUENT軟件默認(rèn)松弛因子不變，在壓力與速度的耦合(Pressure-VelocityCoupling)算法中選用SIMPLE算法，這樣設(shè)置確保求解結(jié)果收斂的穩(wěn)定性[11-12]。

2.4 傳熱邊界條件

對于EGR閥共軛傳熱系統(tǒng)熱邊界的設(shè)置，應(yīng)特別注意耦合傳熱邊界面的設(shè)置，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。Fluent可以計(jì)算模擬共軛傳熱問題。因?yàn)樵趯?dǎo)入裝配體的時(shí)候，對于傳熱面(即EGR閥內(nèi)腔壁面與流體外表面)是兩個(gè)重合的壁面(Wall)，需要將其邊界條件(BoundaryCondition)由壁面(Wall)改為交界面(Interface)，并在交界面菜單選項(xiàng)中的網(wǎng)格交界面(MeshInterface)選項(xiàng)中將兩接觸面設(shè)置為耦合面(CoupleWall)，共軛傳熱固體域(EGR閥體)材料為球墨鑄鐵(QT400-15)；這樣就生成了一個(gè)壁面以及這個(gè)面的“影子”面(ShadowWall)，熱量的固耦合傳遞就通過這個(gè)耦合面實(shí)現(xiàn)(即熱量從高溫氣體通過閥體內(nèi)壁面對流傳熱傳遞給閥體(固體域)；經(jīng)過閥體的熱傳導(dǎo)，同時(shí)閥體上的熱量通過閥體冷卻水道內(nèi)壁面的對流換熱傳給冷卻水道內(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(對流換熱)，外界環(huán)境溫度設(shè)置為70 ℃，由于屬于強(qiáng)制對流，對流換熱系數(shù)設(shè)置為100W/(m2·K)。能量計(jì)算殘差設(shè)置為 10-6數(shù)量級，質(zhì)量、流速等其他物理量計(jì)算殘差控制為 10- 4數(shù)量級。為了提高計(jì)算效益，在本次計(jì)算過程中開4核心進(jìn)行并行計(jì)算。計(jì)算過程中為了獲得滿意結(jié)果，應(yīng)監(jiān)視殘差變化直至收斂。

3 仿真結(jié)果對比與分析

3.1 有冷卻水時(shí)系統(tǒng)整體溫度場

圖5為系統(tǒng)整體剖面的溫度分布云圖，同時(shí)反映了閥體、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，高溫氣體流道上、下壁面溫度較高，最高可以達(dá)到472.8 ℃，結(jié)合高溫氣體速度矢量圖6可知，這一區(qū)域高溫氣體流速較高，熱交換充分，因此，這一區(qū)域閥體溫度高。

圖5 閥體截面溫度分布

圖6 高溫氣體速度矢量圖

圖7 閥體溫度分布

3.2 有冷卻水時(shí)閥體溫度場

計(jì)算得到的閥體的溫度場分布如圖7所示，從圖7閥體溫度分布圖可以看出，在閥體安裝其他附件部位處，溫度在50.4～107.3 ℃范圍內(nèi)，此溫度范圍完全符合相關(guān)組件選材以及設(shè)計(jì)的溫度要求。

3.3 有冷卻水時(shí)閥桿溫度場

計(jì)算得到的閥桿的溫度場分布如圖8所示，從圖8閥桿溫度分布圖可知，在閥桿與密封裝置接觸處閥桿的溫度為120.4～155.5 ℃，密封裝置材料最高耐溫為180 ℃，此溫度范圍完全符合密封組件選材以及設(shè)計(jì)的溫度要求。

圖8 閥桿溫度分布

3.4 有無冷卻水情況的溫度場對比

圖9與圖10分別表示有冷卻水冷卻時(shí)閥體、閥桿的溫度分布，圖11與圖12則分別表示無冷卻水冷卻時(shí)閥體、閥桿的溫度分布。從圖9與圖11結(jié)果對比可以直觀看出，有冷卻水時(shí)閥體的最低溫度為50.4 ℃，而無冷卻水是閥體的最低溫度為101.6 ℃。特別是在閥體安裝其他附件部位處，有冷卻水冷卻時(shí)最高溫度為107.3 ℃，而無冷卻水時(shí)最高溫度達(dá)到360 ℃，這一區(qū)域的溫度基本在207.8～360 ℃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?，F(xiàn)將圖10與圖12的結(jié)果進(jìn)行對比，從圖10可以看出有冷卻水時(shí)，在密封裝置接觸處閥桿的溫度變化范圍為120.4～155.5 ℃之間，而無冷卻水時(shí)，這一區(qū)域閥桿的溫度在359.5～408.2 ℃范圍內(nèi)，這一溫度已遠(yuǎn)超出密封組件的工作溫度要求。具體結(jié)果對比見表2。

圖9 有冷卻水時(shí)閥體溫度分布

圖10 有冷卻水時(shí)閥桿溫度分布

圖11 無冷卻水時(shí)閥體溫度分布

圖12 無冷卻水時(shí)閥桿溫度分布

表2 有無冷卻水時(shí)閥體、閥桿溫度結(jié)果對比

3.5 改進(jìn)措施

綜合考慮各安裝附件以及密封組件耐溫性能要求，改進(jìn)原EGR閥設(shè)計(jì)方案，在閥體安裝附件以及密封組件位置處設(shè)計(jì)直徑為10mm的環(huán)形冷卻水道，冷卻水道結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)上述仿真結(jié)果對比，增加冷卻水道后閥體冷卻效果比較理想，到達(dá)EGR系統(tǒng)各組件的設(shè)計(jì)工作溫度要求。若想進(jìn)一步提高冷卻效果可以在冷卻水道進(jìn)出、口端增加冷卻器。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)仿真計(jì)算得到閥體溫度場分布規(guī)律，在閥體安裝其他附件部位處溫度范圍完全符合相關(guān)組件選材以及設(shè)計(jì)要求。

(2)經(jīng)仿真計(jì)算得到閥桿的溫度分布規(guī)律，在閥桿與密封裝置接觸處，閥桿的溫度范圍完全符合密封組件選材以及設(shè)計(jì)的溫度要求。

(3)同時(shí)模擬有無冷卻水時(shí)閥體、閥桿的溫度場，并將兩種情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，基于對比分析的結(jié)果，提出了對原EGR閥設(shè)計(jì)方案增加冷卻水道的改進(jìn)措施，并設(shè)計(jì)了冷卻水道。

(4)為進(jìn)一步分析計(jì)算閥體和閥桿的熱應(yīng)力和熱變形提供理論依據(jù)。

[1] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.

[2] 曾濤,劉少北,柳忠彬,等.方形氣固流化床中局部顆粒速度實(shí)驗(yàn)研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,26(6):46-50.

[3] 李元祥,陳俊冬,張明星,等.離心除塵風(fēng)機(jī)收塵過程數(shù)值模擬分析與預(yù)測[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,26(1):28-32.

[4] 王虎,桂長林.內(nèi)燃機(jī)缸體冷卻液流固耦合模型的共軛傳熱研究[J].汽車工程,2008,30(4):317-321.

[5] 武亞嬌.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱仿真研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[6] 駱清國,劉紅彬,龔正波,等.柴油機(jī)氣缸蓋流固耦合傳熱分析研究[J].兵工學(xué)報(bào),2008,29(7):769-773.

[7] 李斌.基于流固耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套-缸體傳熱研究[D].長沙:湖南大學(xué),2012.

[8] 李婷,俞小莉,李迎,等.基于有限元法的活塞-缸套-冷卻水系統(tǒng)固流耦合傳熱研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2006,27(5):41-45.

[9] 劉巽俊,陳群,李駿,等.車用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的CFD分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(2):125-129.

[10] 俞小莉,武亞嬌,黃瑞,等.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套流動(dòng)與傳熱CFD計(jì)算分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2010(3):50-55.

[11] 付磊,付麗婭,唐克倫,等.基于FLUENT的管殼式換熱器殼程流場數(shù)值模擬研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,25(3):17-21.

[12] 付磊,曾燚林,唐克倫,等.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J].壓力容器,2012,29(5):36-41.

Study on the Fluid-Solid Coupled Conjugate Heat Transfer of the Electric EGR Valve

FULei1,2,LILiang1,LUOYunrong1,2,TANGKelun1,2,LIZeping3,ZHAOYifu3

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

The numerical simulation for fluid-solid coupled heat transfer of TE604 EGR valve was done by the method of CFD numerical simulation. In the simulation, the opening of control valve set at the maximum value was analyzed，and the temperature fields of the valve body and stem were obtained under two conditions that there has cooling water and no cooling water. Then the design scheme of cooling water channel was proposed through the comparative analysis of the results of two cases, which provides the theoretical basis for further analysis and calculation of the thermal stress and thermal deformation of the valve body and stem.

EGR valve; the numerical simulation; fluid-solid coupled heat transfer; coupled system; temperature field

2015-03-30

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

付 磊(1977-),男,貴州六盤水人，講師,主要從事計(jì)算流體力學(xué)及CAE技術(shù)方面的研究,(E-mail) kunmingfulei@126.com

1673-1549(2015)03-0005-06

10.11863/j.suse.2015.03.02

TK402

A