付磊， 李良 ， 羅云蓉 ， 李澤平 ， 趙貽富

(1. 四川理工學院機械工程學院， 四川 自貢 643000；2. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室， 四川 自貢 643000；3. 宜賓天瑞達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. 四川理工學院機械工程學院， 四川 自貢 643000；2. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室， 四川 自貢 643000；3. 宜賓天瑞達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的流體組成的負壓式EGR閥的流固耦合傳熱仿真模型，進行了流體與固體之間的共軛傳熱仿真。仿真及試驗結果表明，在上閥體設計冷卻水道，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。

負壓式EGR閥； 計算流體動力學； 流固耦合； 傳熱； 溫度場

EGR閥是安裝在汽油機、柴油機上的非常關鍵的廢氣再循環(huán)裝置，EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體溫度高。如果設計前不進行溫度場的分析，不清楚各組件安裝部位的溫度，無設計依據，易造成選材及設計方面的錯誤，所以為保證設計和研發(fā)的成功，在相關產品設計前必須要進行溫度場分析和熱計算[1-3]。近年來，國內外對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流固耦合傳熱的研究較多，而對于EGR閥的流固耦合研究甚少，且已有研究主要是針對EGR閥內部流體的流動規(guī)律進行研究，而很少涉及系統(tǒng)的流固耦合傳熱[4-5]。呂正濤等對EGR閥內流體進行數值仿真和試驗研究[6]，僅對閥內流體流動規(guī)律進行研究，而對于EGR系統(tǒng)的流固耦合傳熱對閥體結構設計的影響尚未涉及。

本研究針對此類問題，以TE603負壓式EGR閥為研究對象，采用ICEM軟件對EGR閥閥體、閥桿、高溫氣體以及冷卻水組成的耦合系統(tǒng)模型進行網格劃分。為了能夠實現熱量在流體和固體之間傳遞，對其交界面進行了耦合處理，使得耦合系統(tǒng)中固體域以及流體域的溫度場在單一計算模型中得以實現。模擬過程使用閥門最大開度進行分析，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果進行分析對比，提出了在上閥體增加冷卻水道的設計方案。EGR試驗以及仿真結果表明，該設計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流換熱。對于這種流體與固體之間的對流換熱問題，由于受到流體與壁面之間相互作用的制約，因此，熱邊界條件無法預先給定。像這類熱邊界條件由熱量交換過程動態(tài)地決定而不能預先給定的問題，稱為流固耦合共軛傳熱系統(tǒng)。因此，在進行負壓式EGR閥溫度場分析時要同時考慮熱傳導、熱對流兩種傳熱方式[7-9]，其中，閥體內腔與冷卻水、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和傳熱過程可視為3個物理問題：1)黏性不可壓縮流體在閥體內的湍流流動；2)黏性不可壓縮流體與閥體壁面之間的對流傳熱；3)上閥體、下閥體、石墨墊機體內的熱傳導。分別用流體流動、流體對流傳熱以及固體熱傳導3個數學模型來描述以上3個物理問題。因此，EGR閥流固耦合共軛傳熱的數學模型包括冷卻水和高溫氣體的流動與傳熱模型、固體導熱模型、冷卻水以及高溫氣體與閥體復雜接合面的共軛傳熱模型[10]。

1) 流體流動控制方程

對于冷卻水和高溫氣體在EGR閥內流動與傳熱計算，將其流動視為三維穩(wěn)態(tài)黏性不可壓縮流體的湍流流動，利用質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和標準κ-ε湍流模型等控制方程對問題進行求解，具體方程見文獻[11]，在此不再贅述。

2) 流體域傳熱控制方程

流體流動與傳熱利用能量守恒原理進行描述，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的傳熱過程視為無內熱源、穩(wěn)定的熱傳導過程，即

·(λT)=0。

(2)

4) 流固耦合共軛傳熱邊界控制方程

根據能量守恒可知，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，根據傅里葉(Fourier)熱傳導定理得出的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為固體域導熱系數；n為固體域壁面外法線；hconv為熱對流表面?zhèn)鳠嵯禂担?下標W表示固體壁面；下標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 計算模型的建立

2.1 負壓式EGR閥的結構原理以及工況

通常在發(fā)動機的進氣管和排氣管之間安裝負壓式EGR閥，負壓式EGR閥的閥體部分主要包括上閥體、下閥體、閥桿、錐閥、閥座，結構材料及工況見表1，其工作原理和具體結構見圖1和圖2。負壓式EGR閥工作原理如下：1)非工作狀態(tài)。在彈簧的預緊力作用下，膜片中心區(qū)域產生向下的變形，使得閥座緊貼在閥體進氣端內壁上，此時無氣體通過。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、下表面產生壓力差。當膜片上、下表面的壓力差大于彈簧的預緊力時，膜片產生形變，向上拱起，從而帶動閥座上升，閥門開啟，這樣來自排氣管的廢氣就能夠通過閥門與進氣混合進入燃燒室[13-14]。而EGR閥門開度控制又是通過真空調節(jié)器的開度來實現的，當真空調節(jié)器的開度較小，膜片上、下表面壓力差低于彈簧預緊力，閥門關閉。

表1 負壓式EGR閥結構名稱及工況(工作溫度700 ℃)

2.2 模型的建立

TE603負壓式EGR閥的三維實體模型的建立采用UG三維繪圖軟件，由于閥體結構相對復雜，在保證相關物理量準確的前提下，對模型的部分過渡圓角、倒角以及小尺寸的結構特征進行簡化處理，建立的三維實體模型見圖3。利用Ansys workbench14.0軟件中的 ICEM網格劃分工具對EGR閥閥體、高溫氣體以及冷卻水道的三維模型進行了網格劃分，采用了四面體的非結構性網格，劃分網格之前對流體的進出口、固體壁面、流體壁面以及流固耦合交界面進行命名[15]。整個模型中共有節(jié)點318 209個，單元1 644 523個，有限元模型網格見圖4。網格劃分完成后利用Ansys CFX14.0進行求解計算。

2.3 流動邊界條件及傳熱邊界條件設置

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

對于EGR閥耦合傳熱系統(tǒng)熱邊界的設置，耦合傳熱邊界面的設置是關鍵，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軟件可以計算共軛傳熱問題，傳熱面(EGR閥內腔壁面與流體外表面)是重合的兩個壁面(Wall)，它們構成接觸對。因此，在CFX計算中必須進行設置，將它們的邊界條件(Boundary Condition)由壁面調整為交界面 (Interface)，并在域交界面設置(Domain Interface)中定義交界面類型(Interface Type)為流固耦合交界面，它們的網格連接方式(Mesh Connection)為GGI。在這個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壁面對流傳遞給閥體(固體域)；經過閥體的導熱，再通過上閥體冷卻水道內壁面的對流換熱傳遞給冷卻水道內的冷流體，通過如此的循環(huán)熱交換實現了對閥體的冷卻)。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)境溫度設置為50 ℃，由于發(fā)動機工作環(huán)境處于風冷狀態(tài)，所以，閥體外壁面與空氣之間的熱交換屬于強制對流。強制對流條件下，工程實際中一般將空氣的對流傳熱系數取為100 W/(m2·K)。

3 計算結果分析

3.1 下閥體流場分布

通過數值仿真計算，得到了在閥門最大升程下下閥體高溫氣體的速度場和壓力場分布圖(見圖5和圖6)。為了便于觀察，以閥的對稱中心面為輔助平面，觀察其速度和壓力的分布。從速度場可以看出：氣體在剛進入閥的時候速度變化不大，在經過閥座時，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、右側上方出現一個速度值相對于周圍區(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。從壓力場可以看出：氣體在剛進入閥的時候壓力變化不大，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；與速度場類似，在閥座左、右側上方的區(qū)域中，都存在一個壓力相對于周圍區(qū)域較小的“孤島區(qū)域”，這是因為在這些區(qū)域內，流場速度很小，這樣流場的動壓也很小，從而導致總壓低于旁邊區(qū)域。

3.2 原設計方案(無冷卻水道)閥體耦合系統(tǒng)溫度場

圖7示出了閥體耦合系統(tǒng)對稱中心面溫度分布，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 ℃，變化范圍達到245 ℃，整個閥體溫度分布梯度大。最高溫度出現在下閥體與高溫氣體接觸的內壁面處，溫度高達到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，此溫度范圍遠超出相關組件選材以及設計的溫度要求。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計的溫度要求。

模擬計算結果表明，閥體溫度較高，熱負荷較大，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組件選材以及設計的最高溫度要求，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，閥桿溫度分布梯度大，易導致熱變形。因此，要降低閥體和閥桿的最高工作溫度，改善其熱負荷，需要改進原EGR閥的設計方案，在上閥體增設冷卻系統(tǒng)。

3.3 改進方案(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，對原EGR閥設計方案進行改進，在上閥體安裝密封組件附近處設計內徑為10 mm的環(huán)形冷卻水道，冷卻水道結構見圖11。

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

表2 有無冷卻水時溫度對比 ℃

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到相關工作溫度要求。

4 試驗對比驗證

由于EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體內腔結構復雜，所以要開展閥體內部流體流動傳熱試驗研究比較困難。因此，試驗中選取上閥體頂部溫度作為測量對象。測點位置見圖16。溫度測量采用熱電偶測溫法。

實測結果見表3。由實測與仿真計算結果對比可見，仿真計算結果的最大誤差為7%，說明流固耦合傳熱模擬計算具有足夠的精度。

表3 試驗結果與仿真結果對比(有冷卻水時)

5 結束語

針對負壓式EGR閥的傳熱問題進行了仿真計算，結果表明，在上閥體未設計冷卻水道的情況下，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。對上閥體結構進行了改進設計，在上閥體密封裝置處設計了環(huán)形冷卻水道，并對有、無環(huán)形冷卻水兩種情況進行仿真對比分析，發(fā)現有冷卻水時閥體散熱效果較好，上閥體溫度滿足密封裝置以及其他附件工作溫度要求。仿真計算結果與實測結果的最大誤差為7%，說明流固耦合傳熱數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實驗室基金資助項目(GKYJ201101，GK200907，GK201205，GK201403)；材料腐蝕與防腐四川省重點實驗室基金資助項目(2012CL10);四川省教育廳項目(13ZA0129)

付磊(1977—)，男，講師，主要研究方向為計算流體力學及CAE技術；kunmingfulei@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.015

TK412

B

1001-2222(2015)06-0073-06