付磊, 李良, 羅云蓉, 唐克倫, 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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電動式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)

通過CFD數值模擬的方法對型號為TE601的EGR閥進行了流固耦合傳熱的數值模擬。模擬過程使用EGR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，提出了冷卻水道的設計方案，為進一步分析計算閥體和閥桿的熱應力和熱變形提供了理論依據。

EGR閥;數值模擬;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、柴油機上用來控制反饋到進氣系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)量的機電一體化產品。EGR閥將一部分廢氣引到吸入的新鮮空氣(或混合氣)，返回氣缸內部進行再循環(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)動機工作過程中，利用EGR閥適時、適量地將部分廢氣再次引入氣缸內，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)動機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閥主要分成機械式、電動式兩大類。EGR閥與排氣歧管連接，發(fā)動機尾氣排放的排氣歧管出口溫度高達700 ℃，這樣導致EGR閥工作環(huán)境惡劣，閥體溫度高。由于，EGR系統(tǒng)的傳動、控制系統(tǒng)等其它組件與EGR閥體裝配在一起，其相關組件都具有一定的工作溫度要求，因此，如果設計前不進行溫度場的分析，在閥體安裝組件部位處的溫度不清楚，易造成EGR系統(tǒng)設計及選材方面的錯誤，從而達不到產品預期設計的目的和使用壽命。所以，本文針對此類問題，以型號為TE601的直流電機型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)進行流固耦合傳熱分析，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，計算結果較好地描述了閥體內部的流動和傳熱情況[1-3]。同時，分別計算了有無冷卻水兩種情況下閥體和閥桿的溫度場，并對計算結果進行對比分析，提出了改進閥體設計的方案，為進一步完善EGR閥設計、提高EGR閥工作性能提供了理論依據。

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與傳熱控制、冷卻水以及高溫氣體與閥體復雜接觸面的耦合傳熱控制方程、固體域傳熱控制方程。

1.1 流體流動的控制方程

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

質量守恒方程(連續(xù)性方程)，不可壓縮流動，ρ為常數，則有：

(1)

動量守恒方程(運動方程)：

(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三個方向的速度分量，下標i,j,k=1,2,3；U為速度矢量；ρ為流體密度；μ為流體的動力粘度；t為時間變量；λ為流體的導熱系數；P為流體壓力；T為流體溫度；Su、Sv、Sw為三個動量守恒方程的廣義源項；Cp為流體比熱容；ST為粘性耗散項；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率。其中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，μt為湍流粘度，即：

(8)

(9)

其中，μi、μj為湍流的脈動速度，C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε為經驗常數，在FLUENT中，標準k-ε模型里，通常作為默認值常數，取值分別為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍動能k與湍流動能耗散率ε的湍流普朗特數分別為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態(tài)地加以決定而不能預先規(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閥在進行溫度場分析時要同時考慮熱傳導、熱對流兩種傳熱方式。

1.2.2固體域熱傳導的理論模型

FLUENT在計算固體域熱傳遞時使用的能量方程形式:

式中：ρ為密度，kg/m3；h為顯焓，kJ；k為傳導系數，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為固體域導熱系數，W/(m·K)；h對流換熱的傳熱系數，W/(m2·K)；下標W表示固體壁面；下標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 計算模型和邊界條件

2.1 直流電機型 EGR閥的結構原理以及工況

直流電機驅動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，運用直流電機直接驅動EGR閥的工作形式。直流電機驅動EGR閥控制系統(tǒng)在工作中指令傳到直流電機芯片上，直流電機芯片通過接受到的指令隨時改變電機電壓，進而改變EGR閥開啟程度，改變EGR率大小，提高內燃機的燃燒標準。EGR閥作為EGR閉環(huán)系統(tǒng)中的一個部件，設計有冷卻水道的EGR系統(tǒng)(圖1)。EGR閥的機械結構部分主要包括閥體、閥桿、閥座、錐閥，機械部分的二維剖面圖如圖2所示，各組成部分的物性參數以及計算工況見表1。

圖1 EGR系統(tǒng)總成實物圖

圖2 EGR系統(tǒng)機械部分二維剖面圖

表1 EGR閥物性參數(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，如圖3所示。利用Hypermesh軟件采用了四面體的非結構性網格對EGR閥耦合系統(tǒng)的三維模型進行網格劃分，并對計算模型邊界進行命名。整個有限元模型共有節(jié)點Node763 876個，單元Element448 212個，有限元模型圖如圖 4所示。利用ANSYSFLUENT13.0對有限元模型進行求解計算。

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 流動邊界條件及流體計算設置

一般情況下，EGR閥的工作狀況比較惡劣，通過其內部的高溫氣體溫度在700 ℃左右，進氣壓差在30kPa～40kPa(表壓)之間。本文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Fluent軟件中設置如下：(1)邊界條件設置為壓力出口和速度入口，假設流體速度在入口處均勻分布，不考慮流體介質重力，冷卻水道入口處流體介質速度設置為4.5m/s，溫度為90 ℃，流體介質為純水，高溫氣體入口速度405m/s，溫度為700 ℃，流體介質為空氣，邊界條件具體設置見圖 4；(2)湍流模型選擇標準的κ-ε模型和壁面函數選擇標準壁面函數(StandardWallFunctions)，流體介質均視為不可壓縮流，將湍流強度(TurbulentIntensity)百分比和水力直徑(HydraulicDiameter)作為湍流的計算方法；(3)求解控制設置，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)、Implicit(隱式算法)、AbsoluteVelocityFormulation(絕對速度)，模型中因涉及傳熱計算，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格式的收斂標準，保持FLUENT軟件默認松弛因子不變，在壓力與速度的耦合(Pressure-VelocityCoupling)算法中選用SIMPLE算法，這樣設置確保求解結果收斂的穩(wěn)定性[11-12]。

2.4 傳熱邊界條件

對于EGR閥共軛傳熱系統(tǒng)熱邊界的設置，應特別注意耦合傳熱邊界面的設置，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可以計算模擬共軛傳熱問題。因為在導入裝配體的時候，對于傳熱面(即EGR閥內腔壁面與流體外表面)是兩個重合的壁面(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中的網格交界面(MeshInterface)選項中將兩接觸面設置為耦合面(CoupleWall)，共軛傳熱固體域(EGR閥體)材料為球墨鑄鐵(QT400-15)；這樣就生成了一個壁面以及這個面的“影子”面(ShadowWall)，熱量的固耦合傳遞就通過這個耦合面實現(即熱量從高溫氣體通過閥體內壁面對流傳熱傳遞給閥體(固體域)；經過閥體的熱傳導，同時閥體上的熱量通過閥體冷卻水道內壁面的對流換熱傳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70 ℃，由于屬于強制對流，對流換熱系數設置為100W/(m2·K)。能量計算殘差設置為 10-6數量級，質量、流速等其他物理量計算殘差控制為 10- 4數量級。為了提高計算效益，在本次計算過程中開4核心進行并行計算。計算過程中為了獲得滿意結果，應監(jiān)視殘差變化直至收斂。

3 仿真結果對比與分析

3.1 有冷卻水時系統(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，最高可以達到472.8 ℃，結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 有冷卻水時閥體溫度場

計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，此溫度范圍完全符合相關組件選材以及設計的溫度要求。

3.3 有冷卻水時閥桿溫度場

計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計的溫度要求。

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閥體、閥桿的溫度分布。從圖9與圖11結果對比可以直觀看出，有冷卻水時閥體的最低溫度為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，有冷卻水冷卻時最高溫度為107.3 ℃，而無冷卻水時最高溫度達到360 ℃，這一區(qū)域的溫度基本在207.8～360 ℃范圍內，此溫度范圍遠遠超出相關組件的耐溫性能要求。現將圖10與圖12的結果進行對比，從圖10可以看出有冷卻水時，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，這一區(qū)域閥桿的溫度在359.5～408.2 ℃范圍內，這一溫度已遠超出密封組件的工作溫度要求。具體結果對比見表2。

圖9 有冷卻水時閥體溫度分布

圖10 有冷卻水時閥桿溫度分布

圖11 無冷卻水時閥體溫度分布

圖12 無冷卻水時閥桿溫度分布

表2 有無冷卻水時閥體、閥桿溫度結果對比

3.5 改進措施

綜合考慮各安裝附件以及密封組件耐溫性能要求，改進原EGR閥設計方案，在閥體安裝附件以及密封組件位置處設計直徑為10mm的環(huán)形冷卻水道，冷卻水道結構如圖1所示。經上述仿真結果對比，增加冷卻水道后閥體冷卻效果比較理想，到達EGR系統(tǒng)各組件的設計工作溫度要求。若想進一步提高冷卻效果可以在冷卻水道進出、口端增加冷卻器。

4 結論

(1)經仿真計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組件選材以及設計要求。

(2)經仿真計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計的溫度要求。

(3)同時模擬有無冷卻水時閥體、閥桿的溫度場，并將兩種情況下的仿真結果進行對比分析，基于對比分析的結果，提出了對原EGR閥設計方案增加冷卻水道的改進措施，并設計了冷卻水道。

(4)為進一步分析計算閥體和閥桿的熱應力和熱變形提供理論依據。

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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實驗室基金項目(GKYJ201101;GK200907;GK201205;GK201403);材料腐蝕與防腐四川省重點實驗室基金項目(2012CL10);四川省教育廳項目(13ZA0129)

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

1673-1549(2015)03-0005-06

10.11863/j.suse.2015.03.02

TK402

A