廢氣再循環(huán)冷卻器的性能仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

陸　磊　張振東　尹叢勃

上海理工大學(xué)，上海，200093

廢氣再循環(huán)冷卻器的性能仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

陸磊張振東尹叢勃

上海理工大學(xué)，上海，200093

廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器的工作條件惡劣，經(jīng)常由于熱負(fù)荷過高而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂問題，嚴(yán)重影響實(shí)際使用性能。針對某型EGR冷卻器，采用流固耦合熱分析方法，用計(jì)算流體力學(xué)和有限元軟件計(jì)算分析了EGR冷卻器的流場、溫度場和熱應(yīng)力分布，其數(shù)值模擬結(jié)果與測試結(jié)果吻合；驗(yàn)證了EGR冷卻器的開裂現(xiàn)象系工作時(shí)所受熱應(yīng)力過高導(dǎo)致。據(jù)此，通過在外表面增加擾流槽對EGR冷卻器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的EGR冷卻器不再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，研究結(jié)果表明流固耦合分析是解決EGR冷卻器開裂問題的有效方法。

廢氣再循環(huán)冷卻器；熱應(yīng)力；流固耦合；擾流槽

0　引言

隨著各國排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，各汽車廠商為了降低NOx的排放，將廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于柴油發(fā)動機(jī)上[1-3]。現(xiàn)階段，EGR技術(shù)主要分為內(nèi)部EGR技術(shù)和外部EGR技術(shù)兩種模式。內(nèi)部EGR技術(shù)是將廢氣在缸內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便，但難以精確控制EGR率，因此，目前廣泛采用外部EGR技術(shù)。外部EGR技術(shù)是將來自排氣管的廢氣經(jīng)過EGR冷卻器、EGR閥，最后進(jìn)入氣管重新進(jìn)入氣缸，通過調(diào)節(jié)排氣背壓和EGR閥開度來調(diào)整進(jìn)入氣缸的廢氣量[4-7]。EGR冷卻器是外部EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其使用性能直接影響到發(fā)動機(jī)的工作性能[8]。

EGR冷卻器是EGR系統(tǒng)的主要受熱部件，其工作時(shí)所受的熱負(fù)荷較高，工作環(huán)境惡劣[9]。在某款柴油機(jī)進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了EGR冷卻器冷卻管的連接板有開裂問題。為了解其裂紋產(chǎn)生的原因，本文以該EGR冷卻器為研究對象，采用流固耦合的數(shù)值模擬分析方法計(jì)算得到EGR冷卻器的溫度場，并結(jié)合試驗(yàn)臺架加以實(shí)測驗(yàn)證；再以此溫度場作為求解熱負(fù)荷的邊界條件，計(jì)算得出EGR冷卻器所受到的熱應(yīng)力，并通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法，最終解決了EGR冷卻器開裂問題。

1　流固耦合基本原理與計(jì)算模型

EGR冷卻器的流固耦合計(jì)算過程見圖1。首先利用三維軟件對EGR冷卻器進(jìn)行建模，并在ANSYS ICEM中對其劃分網(wǎng)格，將劃分好的模型導(dǎo)入Fluent軟件計(jì)算冷卻器的流場結(jié)果，再進(jìn)入ANSYS Steady-State Thermal將Fluent中解算得到的流固邊界的溫度加載到冷卻器的流固交界面，解算得到冷卻器固體壁面的溫度場和熱通量場，最后在ANSYS Static-Structural中將ANSYS Steady-State Thermal中得到的溫度場加載到固體區(qū)域上，并設(shè)置相應(yīng)的約束，計(jì)算冷卻器固體區(qū)域的熱應(yīng)力。

圖1　EGR冷卻器流固耦合計(jì)算流程

EGR冷卻器流固耦合的傳熱計(jì)算關(guān)鍵在于計(jì)算流體與固體以及流固交界面處熱量傳遞。根據(jù)熱力學(xué)理論，在冷卻器流固交界面處，固體所傳出的熱量等于流體吸收的熱量。在流體部分，廣泛采用k-ε 湍流模型來計(jì)算流體與壁面的對流換熱邊界條件，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流連續(xù)性方程為[10]

Gk+Gb-ρ ε-YM+Sk

(1)

式中，ρ為液體密度；k為湍動能；ui為液體流速；μt為渦黏度；μ為黏度；ε為湍動能耗散率；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為因擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流；σk為k的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk為用戶定義的源項(xiàng)。

EGR冷卻器屬于熱彈性模型，彈性體隨著溫度的變化，其內(nèi)部每個(gè)單元之間受到體積的膨脹或者收縮，因而產(chǎn)生熱應(yīng)變[11]。熱彈性位移方程為

(2)

β=α E/(1-2ν)

2　EGR冷卻器建模與網(wǎng)格劃分

2.1三維建模

本文利用SolidWorks對某款四缸柴油機(jī)的EGR冷卻器進(jìn)行三維建模。冷卻器模型如圖2所示，其中左端作為進(jìn)氣口與進(jìn)水口，右端作為出氣口與出水口，整體結(jié)構(gòu)為軸對稱形式。具體相關(guān)尺寸如表1所示。

圖2　EGR冷卻器模型

參數(shù)名稱參數(shù)值進(jìn)出氣口直徑(mm)30進(jìn)出水口直徑(mm)15.4冷卻器長度(mm)300冷卻管數(shù)40

2.2網(wǎng)格劃分

為了正確模擬EGR冷卻器復(fù)雜流場，在一定網(wǎng)格點(diǎn)的條件下，流動參數(shù)變化的區(qū)域須安排較多網(wǎng)格點(diǎn)。由于EGR冷卻器是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算時(shí)對其作對稱處理，以加快計(jì)算速度。本文利用ICEM-CFD軟件對冷卻器的固體、液體和氣體部分劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格采用廣泛應(yīng)用的非結(jié)構(gòu)化四面體形式。氣體與固體、液體與固體之間的接觸表面是計(jì)算分析的重點(diǎn)，故對這部分網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。圖3為冷卻器整體計(jì)算網(wǎng)格圖，共劃分了2 272 506個(gè)單元，654 856個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3　EGR冷卻器網(wǎng)格

3　EGR冷卻器流場分析

利用Fluent軟件對冷卻器的換熱過程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型；采用分離式求解器，其中壓力和速度耦合采用的是SIMPLE算法，動量方程采用一階迎風(fēng)差分方程，能量方程采用二階迎風(fēng)差分方程[11]；本文假定廢氣為空氣，冷卻液為液態(tài)飽和水，固體為不銹鋼材料，忽略重力影響。通過試驗(yàn)來確定進(jìn)出口的邊界條件，在試驗(yàn)中設(shè)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2400 r/min，EGR率開度為15%，柴油機(jī)功率為43.2 kW，并通過溫度、壓力和流量傳感器對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對EGR冷卻器流場計(jì)算時(shí)，進(jìn)氣口、進(jìn)水口采用質(zhì)量入口邊界條件，出氣口、出水口采用壓力出口邊界條件。具體邊界條件見表2。

表2　邊界條件

通過仿真計(jì)算得到冷卻器的廢氣出口平均溫度為495.15 K，與試驗(yàn)所測得的6組溫度數(shù)據(jù)的對比情況如圖4所示，由圖可知，廢氣出口的溫度變化不大，并且試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本相同，最大誤差在5%以內(nèi)。因此，此CFD模型可作為流固數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。

圖4　出口廢氣溫度仿真與試驗(yàn)對比圖

圖5為冷卻器換熱過程的冷卻效果圖。從圖中可以看出，當(dāng)廢氣通過冷卻液進(jìn)口時(shí)，廢氣溫度迅速降低，廢氣經(jīng)過換熱管4/5左右時(shí)，廢氣溫度趨于穩(wěn)定，不再降低。此外，由于冷卻液的比熱容較大，在換熱過程中，冷卻液的溫度變化較平穩(wěn)。

圖5　冷卻器內(nèi)部冷卻效果

4　EGR冷卻器溫度場分析

4.1邊界條件

圖6　冷卻液對冷卻器內(nèi)壁溫度分布的影響

將EGR冷卻器通過CFD計(jì)算得到的廢氣和冷卻液熱邊界條件施加到冷卻器模型上，通過有限元方法分析得到冷卻器固體的溫度分布。圖6為冷卻液對冷卻器內(nèi)壁的溫度分布圖，可以看出冷卻液對固體內(nèi)壁溫度變化較平穩(wěn)，溫度分布較為均勻，溫度在340 K左右。由于冷卻液的溫度在整個(gè)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變化不大，故冷卻液單獨(dú)對冷卻器的內(nèi)壁溫度影響并不明顯。圖7為廢氣對冷卻器內(nèi)壁的溫度分布圖，可以看出高溫集中于冷卻器外殼的進(jìn)口及冷卻管的進(jìn)口，此時(shí)這部分內(nèi)壁溫度達(dá)到了885 K左右。由于廢氣進(jìn)口與冷卻管有一段過渡區(qū)域并不起冷卻作用，因此這一段區(qū)域內(nèi)壁受到高溫廢氣的作用。在進(jìn)行換熱過程中，內(nèi)壁溫度迅速降低，因此在冷卻器內(nèi)壁上所受的熱量由于冷卻液的作用，其溫度條件瞬間改變，這會對冷卻器整體性能造成一定的影響。

圖7　廢氣對冷卻器內(nèi)壁溫度分布的影響

該冷卻器使用的材料為不銹鋼，其材料特性如表3所示。

表3　冷卻器材料特性

4.2溫度場計(jì)算

依據(jù)圖6、圖7所示的邊界條件，可以計(jì)算得到冷卻器的溫度場，如圖8所示。從圖中可以看到，冷卻器廢氣進(jìn)口部分及冷卻管連接板處溫度達(dá)到了880 K左右，在進(jìn)行換熱部分溫度有明顯的下降，廢氣出口部分的溫度為470 K左右。

圖8　冷卻器固體溫度場

5　試驗(yàn)驗(yàn)證

采用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證上述溫度場計(jì)算的合理性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)儀器采用紅外溫度測量儀，在冷卻器外表面選取9個(gè)點(diǎn)(圖9a)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比(圖9b)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的變化趨勢非常接近，最大誤差為8.56%，在允許的誤差值內(nèi)，因此仿真結(jié)果合理、準(zhǔn)確。

(a)冷卻器溫度測量點(diǎn)

(b)仿真與試驗(yàn)對比圖圖9　冷卻器外表面溫度場

由于冷卻液和廢氣對冷卻器內(nèi)表面的溫度影響較大，尤其是冷卻器廢氣進(jìn)口部分及冷卻管連接處溫度變化較大，故在如圖9a所示的“2”點(diǎn)處加裝螺釘式熱電偶，測量冷卻器內(nèi)壁在廢氣作用下的溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻器連接板靠近廢氣進(jìn)口端的溫度約為880 K；另一端由于受到冷卻液作用，溫度迅速降低。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論相吻合，說明仿真具有較高的準(zhǔn)確性。

6　EGR冷卻器熱負(fù)荷分析

EGR冷卻器工作過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)換熱的過程，因此冷卻器內(nèi)部受熱程度不同，溫度分布有較大的差異，換熱管內(nèi)表面受到高溫廢氣作用，有向外膨脹趨勢；外表面受到冷卻液作用，有向內(nèi)收縮趨勢，內(nèi)外表面膨脹收縮的作用使冷卻器產(chǎn)生熱應(yīng)力。

由圖10所示可以看出，冷卻管連接板處是熱應(yīng)力較高區(qū)域，最大熱應(yīng)力為1034.4 MPa，與冷卻器實(shí)際裂紋處相符。對比固體溫度場分布圖來看，高熱應(yīng)力區(qū)均出現(xiàn)于廢氣與冷卻水初次接觸處，此處溫度變化梯度較大，且又為結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域，熱應(yīng)力膨脹系數(shù)較不均勻，導(dǎo)致所產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。

圖10　冷卻器熱應(yīng)力圖

通過原結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果和實(shí)際EGR冷卻器發(fā)生裂紋的情況對比，對原結(jié)構(gòu)形式做了若干方案的改進(jìn)?？紤]到冷卻管在冷卻器內(nèi)部布置較緊密，不易做出改進(jìn)，故對冷卻器外殼增加擾流槽。如圖11所示，方案一是在外殼上增加凹型面，方案二是在外殼上增加兩條凸型槽。兩種改進(jìn)方案的冷卻器換熱效果均比原結(jié)構(gòu)好，整體熱應(yīng)力均有所減小，特別是EGR冷卻器連接板處減小明顯。但是仍然存在熱應(yīng)力相對較大的區(qū)域，并超過了冷卻器的屈服極限，最終還會導(dǎo)致開裂問題。

(a)方案一(b)方案二圖11　冷卻器外殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

為此，通過整合方案一及方案二的形式，最終確定如圖12所示的EGR冷卻器外殼形式。

圖12　冷卻器外殼最終結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

圖13為最終結(jié)構(gòu)冷卻器的冷卻效果圖，廢氣出口溫度在480 K左右，較原結(jié)構(gòu)冷卻效果有所提高，高溫廢氣在冷卻管內(nèi)貫穿距離縮短。

圖13　冷卻器最終結(jié)構(gòu)冷卻效果圖

圖14　冷卻器最終結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力圖

此外，擾流槽的增加影響了冷卻器外表面的各物理性質(zhì)，從而影響了內(nèi)部變形和流動的差異。凸型槽與凹型面上的倒角，由于受到的熱應(yīng)力不集中，能夠給熱變形提供一定減緩作用。由圖14可知，EGR冷卻器整體熱應(yīng)力顯著減小，雖然連接板處仍有應(yīng)力集中區(qū)域，但沒有超過冷卻器的屈服極限，其最大應(yīng)力為911.85 MPa，比原結(jié)構(gòu)減小了11.9%。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，改進(jìn)后的冷卻管連接板不再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

7　結(jié)論

(1)本文采用流固耦合方法對某款EGR冷卻器進(jìn)行了綜合性能的仿真分析，其中流場及溫度場模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量值吻合，說明此方法在實(shí)際工程應(yīng)用中是合理的、可行的。

(2)針對EGR冷卻器因熱應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂的問題，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了若干方案的改進(jìn)優(yōu)化，最后通過在外殼表面增加擾流槽的方式，使冷卻器有更好的冷卻效果，還使冷卻器所受的熱應(yīng)力顯著減小，從而使冷卻器不再發(fā)生疲勞破壞，滿足其使用要求。

[1]Lin Liu, Xiang Ling,Hao Peng. Analysis on Flow and Heat Transfer Characteristics of EGR Helical Baffled Cooler with Spiral Corrugated Tubes[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013(44): 275-284.

[2]周龍保，劉忠長，高宗英. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[3]古新，董其伍，王珂，等. 三種管殼式換熱器與流阻性能對比實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2012, 23(13): 1611-1615.

Gu Xin, Dong Qiwu, Wang Ke, et al. Contrast Experimental Research on Heat Transfer and Flow Resistance Performance for Three Kinds of Shell-and-tube Heat Exchangers[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(13): 1611-1615.

[4]Shabanian S R, Rahimi M, Shahhosseini M. CFD and Experimental Studies on Heat Transfer Enhancement in an Air Cooler Equipped with Different Tube Inserts[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2011,38: 383-390.

[5]任曉帥. 車用柴油機(jī)EGR冷卻器仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2013.

[6]Abd-Elhady M S, Malayeri M R. Asymptotic Characteristics of Particulate Deposit Formation in Exhaust Gas Recirculation(EGR) Coolers[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,60: 96-104.

[7]王謙，羅新浩，吳小勇,等. 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(2): 16-19.

Wang Qian, Luo Xinhao, Wu Xiaoyong, et al. Investigation of Exhaust Gas Recirculation Coolers of DI Diesel Engine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(2): 16-19.

[8]Kim H M, Park S K, Choi K S. Investigation on the Flow and Heat Transfer Characteristics of Diesel Engine EGR Cooler[J]. International Journal of Automotive Technology, 2008(2): 149-153.

[9]范尊國，安偉，張振,等. 柴油機(jī)EGR冷卻器仿真和試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2013, 31(6): 564-568.

Fan Zunguo, An Wei, Zhang Zhen, et al. Simulation and Experiment of Diesel Engine EGR Cooler[J]. Transactions of CSICE, 2013, 31(6): 564-568.

[10]孔祥謙. 熱應(yīng)力有限單元法分析[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社, 1999.

[11]朱紅均. ANSYS 14.5熱流固耦合實(shí)戰(zhàn)指南[M]. 北京：人民郵電出版社, 2014.

(編輯郭偉)

Performance Simulation and Structure Improvement of EGR Cooler

Lu LeiZhang ZhendongYin Congbo

University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093

The poor working conditions of EGR cooler often is due to excessive thermal load and the emergence of structure crack problem, which influences seriously its actual performance. The fluid field, the temperature and thermal stress distribution of cooler were calculated by using computational fluid dynamics and finite element analysis software with fluid-solid coupling thermal analysis technique. The results of calculation well agree with test data and it is concluded that the cracks on EGR cooler are caused by high thermal stress. Accordingly the cooler structure was improved, the outer surface increased turbulence slots. The cooler with that configuration has obviously lower thermal stress and cracks no longer happen again, indicating fluid-solid coupling thermal analysis being an effective way for solving the crack problem of EGR cooler.

exhaust gas recirculation(EGR) cooler; thermal stress; fluid-solid coupling; turbulence slots

2015-03-16

國家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(51275309)

TK422DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.016

陸磊，男，1990年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃油噴射系統(tǒng)及內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放。張振東，男，1968年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。尹叢勃，男，1981年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士后研究人員。