沈夏威 ， 周忠友

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機(jī)電與汽車工程學(xué)院, 浙江　湖州　313000)

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基于CFD的汽車排氣余熱回收裝置設(shè)計*

沈夏威 ， 周忠友

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院, 浙江湖州313000)

將溫差發(fā)電技術(shù)運用于汽車排氣管，設(shè)計了一套排氣余熱回收裝置。對其主換熱器的溫差發(fā)電裝置(TEG)部分設(shè)計了兩種(A和B)方案，建立這兩套方案的三維模型。使用計算流體動力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行流體仿真,得到了這兩種方案TEG的流場，結(jié)果表明，B方案相對于A方案換熱效率更高，壓損更小，具有更佳的可行性。

汽車排氣；余熱回收裝置；計算流體動力學(xué)；溫差發(fā)電裝置

汽車排氣余熱回收利用是提高內(nèi)燃機(jī)效率、節(jié)約燃料的一個重要途徑。一方面可以有效地提高燃油的利用效率，減少能源的消耗，節(jié)約能源；另一方面減少汽車排氣中CO2、HC、NOX的排放，降低汽車排氣對大氣的污染。本文運用溫差發(fā)電技術(shù)，結(jié)合目前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)狀況和工作特性，根據(jù)汽車排氣余熱的實際情況，設(shè)計汽車排氣余熱回收溫差發(fā)電系統(tǒng)。針對余熱回收裝置設(shè)計了兩套主換熱器方案，進(jìn)行CFD仿真比較，獲得優(yōu)選方案。

一、排氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計

排氣余熱回收裝置是基于溫差發(fā)電材料的塞貝克效應(yīng)即第一熱電效應(yīng)，實現(xiàn)熱能到電能的直接轉(zhuǎn)化[1]22-25 [2]287-289。即：P型和N型兩種不同的半導(dǎo)體材料一端置于高溫?zé)嵩?，另一端置于低溫冷端，在熱激發(fā)下會形成電動勢，通過高溫和低溫的溫差，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

汽車排氣系統(tǒng)一般由排氣管、三元催化裝置和主、副消聲器等組成。汽車排氣的溫度隨其流動方向逐漸降低，三元催化器入口的溫度高達(dá)1 000 ℃，由于目前車用溫差發(fā)電裝置的工作溫度不超過750 ℃，為了充分利用排氣的熱量，將排氣余熱回收裝置設(shè)計在三元催化器與副消聲器之間比較合適。

鑒于普通排氣管的截面多為圓形，本文采用筒形溫差發(fā)電裝置，將主換熱器設(shè)計成正多邊形，將多組溫差發(fā)電模塊平鋪于主換熱器的外表面上，如圖1所示。發(fā)電模塊內(nèi)側(cè)為熱端即主換熱器，外側(cè)設(shè)計冷卻回路作為冷端。

圖1排氣余熱回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖

二、主換熱器方案設(shè)計、計算域網(wǎng)格劃分及邊界條件

(一)主換熱器方案設(shè)計

根據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，溫差發(fā)電裝置在車輛排氣系統(tǒng)上的運用難點主要是將排氣管的熱量導(dǎo)出，使之成為一個穩(wěn)定的熱源供給溫差發(fā)電裝置。因此，需要針對排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點，設(shè)計一個換熱器，使其能夠盡可能多的吸收熱量并且傳遞給熱電模塊。本文以一般乘用車為研究對象，在盡可能不影響排氣系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計余熱回收裝置的主換熱器，擬設(shè)計A和B兩套換熱裝置進(jìn)行比較研究。

方案A如圖2中的a圖所示，鑒于排氣管布置空間限制，保持排氣管原結(jié)構(gòu)尺寸不變，在排氣管內(nèi)部設(shè)計換熱翅片。為增大換熱面積并且同時兼顧排氣壓力損失，本文設(shè)計換熱翅片為直列式沿排氣管內(nèi)壁排布。同時，根據(jù)TEG裝置冷端熱電模塊結(jié)構(gòu)，將換熱器設(shè)計成正十二面體換熱裝置。

方案B如圖2的b圖所示，考慮在A方案的基礎(chǔ)上增大換熱面積，即設(shè)計成排氣管局部擴(kuò)大的換熱器?；谂艢夤茉诘妆P上的空間布置限制，參考消聲器及三元催化器的尺寸設(shè)定換熱器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)同A方案，截面為正十二邊形，與排氣管連接處設(shè)計為錐面過渡。

a)方案A示意圖　　　b)方案B示意圖

(二)計算域網(wǎng)格劃分

主換熱器模型使用ICEM軟件對幾何表面進(jìn)行處理，生成四面體網(wǎng)格單元。由于主換熱器金屬翅片的厚度僅為1 mm，壁面法向上的網(wǎng)格密度較低，為了準(zhǔn)確模擬尾氣與金屬翅片的傳熱過程，在換熱器導(dǎo)熱翅片周圍拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格作為邊界層，以提高計算精度。并且對換熱器的主體部分設(shè)置密度盒，以提高換熱區(qū)域的計算精度。對A和B兩種模型方案相同的部分采用相同的網(wǎng)格大小設(shè)置，以避免網(wǎng)格差異性對仿真結(jié)果的影響，使結(jié)果更具可比性。

整個計算域生成網(wǎng)格數(shù)為：方案一350萬，節(jié)點數(shù)約57萬；方案二380萬，節(jié)點數(shù)約60萬。

(三)邊界條件設(shè)定

本次為流固耦合傳熱計算，仿真在Fluent軟件中進(jìn)行。求解器選用基于壓力的求解器。壓強(qiáng)為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為常溫。壁面函數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，數(shù)值方法采用SIMPLE算法。選擇 realizable 湍流模型，以湍流強(qiáng)度和水力直徑定義湍流強(qiáng)度。亞松弛因子及計算收斂標(biāo)準(zhǔn)采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

流體介質(zhì)為空氣，氣體密度0.6 kg/m3，動力粘度2.9×10-6，其他物性參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)。翅片為鋁制固體，導(dǎo)熱系數(shù)202.4 W/m2·K，其他參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)。

入口設(shè)置速度入口邊界條件，根據(jù)普通乘用車輛發(fā)動機(jī)常用工況下其排氣終了狀態(tài)，入口溫度設(shè)定773 K，入口流速賦初值60 m/s，湍流強(qiáng)度假定為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，設(shè)定為8 %。出口設(shè)定為壓力出口條件，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，表壓為0，湍流強(qiáng)度8 %。壁面均設(shè)定為無滑移壁面，流體換熱壁面和鋁制金屬翅片設(shè)定為耦合壁面。固體殼體溫差發(fā)電模塊所在面設(shè)定對流換熱系數(shù)為80 W/m2·K。其他外部殼體壁面設(shè)置自然對流換熱系數(shù)和環(huán)境自由流溫度300 K[3]33-40。

為保證計算結(jié)果的可比性，A和B兩組方案均采用以上設(shè)置。迭代計算使用并行計算以減少仿真時間。

三、仿真結(jié)果分析

兩種方案經(jīng)Fluent計算至收斂，獲得A和B兩個方案的計算結(jié)果。

(一)仿真計算結(jié)果

兩個方案的仿真計算結(jié)果如表1所示。TEG換熱功率A和B兩種方案都達(dá)到了1 kW以上，方案B相對于方案A增加了72.4 %。方案A的壓損較大，幾乎是B方案的4倍，對排氣系統(tǒng)的阻滯較為明顯，會影響發(fā)動機(jī)的正常工作。方案B由于擴(kuò)大了尺寸，對排氣系統(tǒng)的阻滯較小，不影響廢氣的正常排出。

表1　方案A和B仿真計算結(jié)果

(二)主換熱器仿真流場分析

方案A流線如圖3中a所示，由伯努利定理可知，氣流經(jīng)過換熱器的內(nèi)部翅片時，流速增大。氣流在通過換熱器時較為充分地經(jīng)過了換熱器翅片的間隙，換熱翅片較為充分地起到了熱交換的作用。整體流場較為平滑，未見較大的渦流。方案B流線如圖3中b所示，對比方案A，換熱器對排氣流的影響相對小。氣流并未在換熱翅片之間充分發(fā)展，靠近外延的翅片部分并未很好的起到換熱作用，造成換熱器部分尺寸浪費。排氣管與換熱器的過渡部分梯度過大，形成射流，氣流在這個過渡區(qū)域產(chǎn)生渦流，造成次級噪聲。從流場流線角度考慮，排氣管與換熱器過渡部分的錐度以及換熱器的總體直徑尚待優(yōu)化，以使排氣流能夠在換熱翅片之間能夠充分發(fā)展。

a)方案A示意圖　　　b)方案B示意圖

湍動能是流體脈動的一種表現(xiàn)，湍動能越大表示流動脈動越劇烈，湍動能的產(chǎn)生和消失是密切相關(guān)的，湍動能大的地方，湍流耗散率也大，這也意味著較大的能量傳遞。方案A湍動能云圖如圖4中的a所示，進(jìn)入換熱器的高溫氣流正面沖擊換熱器翅片，在換熱器的入口處，湍動能較大形成強(qiáng)湍流區(qū)，氣流在此處產(chǎn)生較大的流動分離。在此區(qū)域，換熱效率高，翅片溫度高。從換熱器入口至出口，湍動能逐漸減小，翅片溫度隨著傳熱效果的降低而降低。 方案B湍動能云圖如圖4中的b所示，僅在換熱器的入口處由于氣流撞擊翅片產(chǎn)生湍流，之后大部分區(qū)域湍動能接近零。相對于方案A，流動脈動的活躍程度較小，影響其換熱性能。

a)方案A　　　　b)方案B

方案A溫度場如圖5中的a所示，主換熱器入口區(qū)域溫度較高，溫度從前至后呈階梯狀逐漸減小趨勢。換熱器整體起到了較好的換熱作用，最低處溫度可以達(dá)到700 K以上。強(qiáng)換熱區(qū)域主要集中在換熱器的前部，前后溫差接近60 K。方案B溫度場如圖5中的b所示，換熱器尺寸的放大，使得進(jìn)入換熱器的高溫氣流能夠得到更為充分的發(fā)展。相對方案A，主換熱器整體溫度分布較為均勻。平均溫度690 K，低于方案A，但是換熱器的換熱面積要高于方案A。

由于換熱器的外表面平鋪溫差發(fā)電模塊，主換熱器的外表面溫度分布不均勻會直接導(dǎo)致溫差發(fā)電模塊之間的工作差異，影響整體性能。盡管方案B的整體溫度分布較均勻，但其前后仍存在溫度差。因此，提高換熱器的換熱效率，改善溫度分布的均勻程度，將是本課題下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點。

a)方案A　　　　　　　　　　　　　　　b)方案B

排氣壓力對于發(fā)動機(jī)的正常運行有著重要的影響，排氣阻力過大，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒室產(chǎn)生的廢氣無法及時地排除，導(dǎo)致氣缸體內(nèi)局部溫度過高，引發(fā)早燃和爆燃，可燃混合氣無法正常燃燒，產(chǎn)生大量的積碳。排氣管上換熱器的加入必然會增加排氣壓損，若排氣阻力過大，會影響發(fā)動機(jī)的正常運行，因此壓力是一個重要監(jiān)測對象。

如圖6中的a為方案A的壓力云圖，在換熱器入口區(qū)域，可以看到翅片正面的迎風(fēng)面靜壓較大。由伯努利定理可知，高溫廢氣在撞擊翅片后，速度減小，靜壓增大。隨著氣流向出口的擴(kuò)展，靜壓逐漸減小，換熱器對尾氣產(chǎn)生較大的阻滯作用。方案B的壓力云圖如圖6中的b所示，與方案A有較大的不同。換熱器尺寸的擴(kuò)大使其在近翅片區(qū)域有較大的梯度，產(chǎn)生的射流在換熱器入口區(qū)獲得較好的擴(kuò)散。翅片迎風(fēng)面的靜壓遠(yuǎn)小于A。隨著廢氣向換熱器的后方發(fā)展，靜壓呈逐漸增大趨勢。因此方案B對于排氣的阻滯作用較小。

a)方案A　　　　　　　　　　　　　　　b)方案B

四、結(jié)　語

本文設(shè)計了一套汽車排氣余熱回收裝置，主要運用CFD的方法對其主換熱器A和B兩種方案進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下：(1)方案B優(yōu)于方案A，相對于A方案，B方案的換熱量更大，壓損更?。?2)方案B中，主換熱器入口的過渡梯度當(dāng)前狀態(tài)并不理想，后期應(yīng)根據(jù)射流，優(yōu)化錐形過渡的角度；(3)方案B排氣管局部擴(kuò)大的設(shè)計與排氣管消聲器的設(shè)計類似，而換熱器中產(chǎn)生的湍流噪聲會造成二次噪聲污染。將溫差發(fā)電裝置與消聲器結(jié)合起來設(shè)計，通過換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在利用余熱發(fā)電的同時，控制換熱器的二次噪聲污染，甚至起到消聲器的作用，值得后續(xù)進(jìn)一步研究。

[1] 涂小亮,倪計民,石秀勇.汽車發(fā)動機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)[J].汽車技術(shù),2015(4).

[2] 徐立珍,李彥,楊知,等.汽車尾氣溫差發(fā)電的實驗研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(2).

[3] 孫強(qiáng).基于CFD的車用尾氣余熱溫差發(fā)電裝置流場分析及優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué)碩士論文,2012.

Design of Thermoelectric Generator Applied on Road Vehicle Engine Exhaust Based on CFD

SHEN Xia-wei , ZHOU Zhong-you

(School of Mechanical and Electrical & Automotive Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

The temperature difference power generation technology is used onto the exhaust pipe and we design a thermoelectric generator . The two kinds (A&B) of main heat exchanger (TEG) are designed and 3D models built. According to simulation, the flow filed of TEG was calculated. Results show that the option B was higher thermal efficiency, less pressure loss, relative to the option A. So the option B has better feasibility.

road vehicle engine exhaust; heat recovery; Computational Fluid Dynamics; thermoelectric generation

2016-03-11

本文系2015年度浙江省教育廳科研課題“汽車排氣余熱回收發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化研究(Y201533907)”的成果之一。

沈夏威(1987-)，男，浙江湖州人，工程師，工程碩士，主要從事汽車空氣動力學(xué)研究；周忠友(1982-)，男，黑龍江鶴崗人，講師，高級技師，主要從事汽車維護(hù)技術(shù)研究。

TH122

A

1672-2388(2016)03-0062-04