劉叢浩，劉崇，李雙辰，牛俊良，石晶，傘桂權(quán)

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000；

2.錦州聯(lián)升汽車零部件有限公司，遼寧 錦州 121000；3.東風(fēng)朝陽朝柴動(dòng)力公司技術(shù)中心，遼寧 朝陽 122000）

引言

近些年，全世界的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求越來越高，而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)（EGR, Exhaust Gas Recirculation）技術(shù)是一種能夠有效降低 NOx 的重要機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)。冷卻 EGR 系統(tǒng)以其更優(yōu)的排放水平已成為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的必要的機(jī)內(nèi)凈化措施，也是國內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滿足排放法規(guī)的重要裝備。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中，高溫富氧是 NOx 產(chǎn)生的重要的外部條件。廢氣再循環(huán)技術(shù)是將內(nèi)燃機(jī)在燃燒后排出氣體的一部分分離并導(dǎo)入進(jìn)氣側(cè)使其再度參與燃燒的技術(shù)，可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)原始NOx 排放值，同時(shí)具有成本低、使用便捷、對(duì)原機(jī)改動(dòng)小的特點(diǎn)，是滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1][2]。因此，為減少汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放物對(duì)環(huán)境的污染，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)被廣泛采用[3]。由于EGR 冷卻器的出氣溫度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能[4]，必須盡可能提高廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻效率[5]，這是冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

EGR 冷卻裝置主要是通過熱交換的形式實(shí)現(xiàn)冷卻降溫的，目前常用的 EGR 冷卻器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大體上可歸為兩種形式：管殼式與板翅式[6]。其中板翅式冷卻器具有結(jié)構(gòu)緊密、輕巧、傳熱效率高等特點(diǎn)，因此本文也選用板翅式EGR 冷卻器，并包含六組具有鋸齒式內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)的扁管。

1 建模

離散流體動(dòng)力學(xué)（CFD）適用于相關(guān)流體力學(xué)和熱力學(xué)等物理系統(tǒng)的研究，其基本思想為：把時(shí)域的連續(xù)物理場(chǎng)用一系列的離散變量的集合來表示，建立關(guān)于這些離散變量的代數(shù)方程組并求解，獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD 作為流體基本控制方程的數(shù)值解法，可用于模擬復(fù)雜流體場(chǎng)內(nèi)包括速度、壓力、溫度等物理量的分布情況[7]。

對(duì)于某流體場(chǎng)中的一個(gè)理想流體單元，由質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流體單元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該單元體的凈質(zhì)量，流體質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρ為流體密度，t 為時(shí)間，d/dt 為微分算子。

在上述模型假設(shè)的基礎(chǔ)上，本文首先在CATIA 軟件內(nèi)建立三維模型，三維模型如圖1 所示，將建立好的三維模型再導(dǎo)入ANSYS Workbench 下的Geometry 中，之后導(dǎo)入Mesh里劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為：13986605；選用材料為：干空氣，液體采用純水；金屬材料采用：316L。

上述冷卻器模型中廢氣運(yùn)動(dòng)特性取決于雷諾數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)超過2300 時(shí)為湍流，否則為層流，雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

式中，ρ是流體密度，v 是流體速度，L 是特征長度，此處取為管內(nèi)壁直徑。計(jì)算得到廢氣的雷諾數(shù)大于2300，所以本文在模擬時(shí)選用了湍流模型。

圖1 冷卻器三維模型

圖2 冷卻器翅片結(jié)構(gòu)圖

文中初始化時(shí)假設(shè)EGR 冷卻器內(nèi)部充滿恒溫冷卻液；各翅片道內(nèi)廢氣具有理想氣體特性，且各向同性；沿著管道壁面溫度梯度的類似計(jì)算產(chǎn)生的平均輸出氣體溫度變化可以忽略。

本文采用邊界條件：氣體入口溫度為640℃，水入口溫度85℃，氣體入口流量為0.024kg/s，水入口流量為0.5kg/s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 氣體溫度分布云圖

圖4 液體溫度分布云圖

模擬計(jì)算結(jié)束后，利用ANSYS Fluent 軟件后處理功能可以得到溫度變化云圖，圖3 為模擬得到的板翅式冷卻器氣體溫度變化云圖，由云圖可以清晰的看到各個(gè)位置上的溫度變化情況。冷卻器管束各管道的入口處由于熱流集中，溫度升高，出現(xiàn)了溫度場(chǎng)的溫度極大值。

沿著冷卻管長度方向，廢氣溫度逐漸降低，實(shí)現(xiàn)了熱能耗散，而冷卻器入口和出口的溫度基本穩(wěn)定，可見，EGR 散熱元件主要為冷卻器冷卻管。圖4 為冷卻液體溫度分布云圖。

計(jì)算EGR 冷卻效率η的公式為[8]：

式中，ti為冷卻器的入口廢氣溫度，to為冷卻器的出口廢氣溫度，tw為冷卻器的入口冷卻水溫度。經(jīng)Ansys Fluent 后處理分析可知，冷卻器的出口廢氣溫度為145.7℃；出口冷卻水溫度為91.4℃，故經(jīng)公式（4）計(jì)算，此EGR 冷卻器的冷卻效率為89.06%。

3 結(jié)論

本文利用板翅式冷卻器來實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫氣體的冷卻，經(jīng)過建模以及Ansys Fluent 軟件的仿真分析，結(jié)果表明，當(dāng)高溫氣體從內(nèi)部由六組扁管組成的冷卻器內(nèi)流過時(shí)，冷卻水可以高效率的對(duì)高溫氣體實(shí)現(xiàn)冷卻效果，經(jīng)計(jì)算，采用6 組扁管并具有鋸齒式內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)的EGR 冷卻器的冷卻效率可以達(dá) 到89.06%，冷卻效率比較高，冷卻效果良好。