柴油机废气再循环EGR冷却器CAD∕CFD设计.doc

柴油机废气再循环EGR冷却器CADCFD设计摘要: 关键词:I. 引言随着国家经济建设的快速发展，汽车的使用越来越普及，对汽车的排放标准的要求也越来越高，为保护环境和节约能源，世界各国相继制定和实施了越来越严格的柴油机排放标准。我国在2000年等效实施了欧排放标准，2003年9月等效实施了欧排放标准，在2007年和2010年分别实施与欧、欧等效的国家第,阶段机动车排放标准。满足我国排放的技术路线，统称为EGR技术路线。冷却EGR技术是将发动机燃烧后的一部分废气经过冷却后再次引入发动机气缸与新鲜空气混合继续参与燃烧，可以提高混合气的热容量、降低混合气中O2的浓度和降低燃烧速度，从而达到减少柴油机NOx排放的目的。其中EGR冷却器是EGR系统的关键核心部件，由于体积的限制，要求冷却器在较小的换热面积下能够实现大的热量传递。因此，设计和制造重量轻、体积小、散热效率高、价格低的EGR冷却器是直接实施EGR技术的重要前提。虽然，国内的一些学者和科研单位也己经对EGR技术作了大量研究工作，并且EGR技术的发展已经有了一整套的开发设计方法，但距产品化尚有一定距离。并且对于轿车用柴油机EGR技术的设计研究，目前国内却没有很多现成的设计方案可供参考。一方面，国内汽车生产企业资金的缺乏，技术意识的落后，使得国际上已有所发展的现代设计方法并没有得到很好的应用；一方面，国内汽车生产企业致力于汽车主要零部件的技术革新，没有足够重视轿车用柴油机EGR系统的EGR冷却器的设计研究。从而使国内轿车用柴油机EGR冷却器的设计手段滞后，轿车用柴油机EGR冷却器的设计理论还不够完善。本文通过某型轿车用柴油机EGR冷却器的设计与分析来讨论CAD/CFD技术在柴油机EGR冷却器设计中的应用研究。II. EGR冷却器的CAD设计与CFD辅助分析以法国达索公司的软件CATIA V5进行EGR冷却器的三维实体设计,然后将零件组装成EGR冷却器总成。在设计过程中，通过CATIA V5的强大功能来对EGR冷却器采用参数化的实体造型零部件结构设计,经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状,进行装配及运动仿真,以便观察有无干涉,便于修改设计的错误。用三维建模软件CATIA建立并简化EGR冷却器的三维几何模型，根据所研究的EGR冷却器的特点，建立了冷却水通道模型，并将其导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中建立EGR冷却器的仿真模型。边界条件按照EGR冷却器实际工况进行设定后，计算研究了内部冷却水通道的速度场和温度场分布规律。反复修改流场模型直到满足最佳的流动阻力和流动均匀性。水侧进水口管件和冷却水道的CAD造型将根据上述匹配计算与内部流场计算的结果确定。经过上述CAD/CFD设计修改后，可以得到直接加工的CAD零件模型，利用快速原型制造、模具生成等方法进行加工。最后到试验台进行试验验证，并进一步对结构调整改进，直到满足性能的设计要求和明显提高冷却器的冷却效率。 从三维模型、零件CAI)模型到零件加工和试验验证都不是相互孤立的，各个步骤之间有着密切的联系。图1为结合CAD与CFD对EGR冷却器进行设计的流程图。图1 CAD与CFD对EGR冷却器进行设计的流程图III. 基于CATIA的轿车用柴油机EGR冷却器三维设计EGR冷却器是EGR技术的关键部件，它主要由芯子、外壳及连接水管、安装法兰等组成，如图2。图2 EGR冷却器零件图 A. 轿车用柴油机EGR冷却器的虚拟装配利用法国达索公司的软件CATIA V5可进行EGR冷却器零件的三维实体设计，然后将零件组装成EGR冷却器总成。在设计过程中，通过CATIA V5的强大功能，在虚拟装配环境中，装配模型所包含的信息是随着产品装配工艺规划进程不断完善的。零部件模型又包含了装配所需零部件的基本信息（形状、尺寸、位姿、材料、名称等）。零部件在装配过程中并不是简单地被复制到装配中，整个装配部件保持关联的一致性，只要编辑或修改整个零部件的几何参数，则引用它的装配模型自动更新相应的参数，实时跟踪反映零部件的最新变化。以保证后续的“虚拟”装配规划。图3为EGR冷却器零部件装配顺序和路径，同时还需考虑各零件模型之间约束关系。建立装配约束可以快速定义模型的约束状态，解决零件模型之间无约束的问题。图4为基于装配顺序、路径和装配约束的EGR冷却器零部件装配模型图。图3 轿车用柴油机EGR冷却器部件装配顺序和路径图4 基于装配顺序、路径和装配约束的轿车用柴油机EGR冷却器部件装配模型图B. 装配过程的干涉检验装配过程的干涉检验是“虚拟”装配设计成功的保障。装配干涉检验要先选定检验范围，在选定了干涉检验范围后，可以准确地检验出所选零部件之间是否存在干涉现象。轿车用柴油机废气再循环EGR系统的虚拟装配过程也出现了静态和动态干涉现象，经分析属于设计问题，修改设计后干涉现象消失。图5为最终装配效果图。图5 轿车用柴油机EGR系统虚拟装配效果图IV. EGR冷却器的CFD建模与仿真分析 EGR冷却器的内部核心主体，其形状复杂，里面的冷却水通道形状也较为复杂。图6（a）和6(b)为所研究对象的结构分解透视图和冷却器内部的气、液流动方式。核心主体的构成，首先通过将金属板以折扇方式弯折，然后弯曲成扁平矩形空间，交替形成冷却水和高温废气流动通道；冷却水通道端部边缘的两端用端部支撑板阻塞，起阻隔冷却水和废气接触并支撑管板的作用。翅片被插入废气排放流动通道中，由此形成核心；核心主体的外周安装在管状壳体中，从而阻塞相邻的弯折端部边缘之间的联通； 图6(a) EGR冷却器核心区域分解透视图图6(b) EGR冷却器内部的气、液流动方式 如今计算流体力学软件发展得比较成熟，计算出的结果与试验结果吻合得很好。采用CFD可以缩短EGR冷却器的设计或优化设计周期，能够大幅度降低试验成本，可以得到EGR冷却器的总体性能和可以实现EGR冷却器内部的流体流场、温度场的可视化，而且可以得到通过试验方法无法测到或难于测到的内部结构任意点的温度、流速等参数细节Error! Reference source not found.。此外，还可以及时了解结构参数变化对局部流场和温度场的影响，为结构优化提供理论依据。计算流体力学是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上或中心上求解，获得场变量的近似值的一种方法，目的是为了定性和定量地了解流体流动的物理现象，模拟复杂流体场内包括速度、压力、温度等物理量的分布情况。更深刻地认识整个冷却过程的流动机理。控制方程分别是连续性方程、动量方程(Navier-Stokes方程)和能量方程，适用于相关流体力学和热力学等物理系统的研究，并且是它们所遵循的普遍规律。A. 冷却水通道数值分析由于EGR冷却器内部结构的几何形状比较复杂，为了减少仿真分析时的计算工作量，在对仿真分析结果影响不大的情况下，将对原模型作了适当的简化，需要将模型改成实体模型。用三维建模软件CATIA简化后冷却水通道模型如图7所示。并且分别从七个冷却水子通道各选取一个代表截面，它们分别位于坐标为z=2.2mm（第一通道）, z=9.8mm（第二通道）, z=17.4mm（第三通道）, z=25.0mm（第四通道）, z=32.6mm（第五通道）, z=40.2mm（第六通道）, z=47.8mm（第七通道）处。每个截面可以代表它所在的子通道。以step格式保存，然后导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中，进行后续处理。本文参考发动机EGR系统台架试验的基础，按照台架试验装置建立CFD仿真模型， 图7 冷却水通道计算模型B. 网格划分 由于冷却水道模型的复杂性，非结构化网格不规则区域有特别适应性，而且在有限体积法中引入非结构化网格后，使得有限容积法和有限元法之间的差别缩小了，在某些情形下两者是等价的，本研究计算分析划分的网格均为四面体网格。根据实际情况及需要，本研究对冷却器冷却水道模型划分了网格总数约200万左右。划分最小尺寸为0.3mm，网格品质(Mesh Quality)达到0.20。在模型的近壁面处，速度、温度梯度变化较大，需要局部加密，图3-2是边界层网格的划分。 （a）七个子通道局部放大 （b）冷却水入口局部放大图8 边界层网格在数值计算中网格划分的质量直接决定了计算的精度和计算效率，高质量的网格是实现数值模拟成功的首要条件，应避免过疏或过密的网格。网格过疏往往得到不精确的计算结果，甚至会得到完全错误的解，有时还使计算结果不收敛；而网格过密则会使计算量大幅度增加，不仅对计算机的硬件要求较高，还会增加计算时间。可见网格生成是CFD作为工程应用的有效工具所面临的关键技术之一。C. 模拟性能计算1) 流体介质及模拟状态 为了保证与试验结果的可比性，CFD计算过程中冷却液选用的是水。计算工况为发动机标定点2900 rpm时，冷却液流量为67.2L/min。采用稳态的计算模式，在模拟计算过程中认为冷却液在冷却水通道中的流动是绝热、不可压缩的粘性湍流流动。入口边界采取速度入口，入口水温度353K；出口边界采取压力出口；相邻两通道之间的三个侧面均为对流换热边界，换热系数为20，换热壁面外部的自由流温度为440K，其余为绝热壁面。求解方法如下Error! Reference source not found.：（1）根据本例特点，对上述控制方程采用分离式解法；（2）选择压力速度耦合方法，并选用SIMPLEC算法，离散方式采用二阶迎风格式；（3）设定亚松弛因子，初始量按默认值；（4）首先屏蔽能量方程，只计算流场，设定收敛条件，初始化，开始迭代计算；计算一定步数以后，等流场计算趋于稳定之后，打开能量方程，二者同时计算，最终得到稳定解。图9 不同截面（Z方向）的冷却水流速解析结果冷却水流动情况对于冷却器来说，内部流体流动的不均匀性对换热效果影响很大Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。图表示出了冷却水在冷却水通道中不同截面（Z方向）处的流速解析结果图。由图可以看出：（1）截面4和截面5入口处冷却水流速高。平均流速达到0.55ms。（2）各截面的整体流速分布比较均匀，从而冷却水在每一通道中能够平滑的流动并且加快热交换。这样的设计有利于废气的均匀换热。但可以看出在冷却器的内核芯子中冷却水的流速分布由下至上（截面1至截面7）分布略有不同。底部的流速较上部偏低，相应的流量也低于下部。造成这种结果的原因是冷却水进入水侧时，流体的沿程损失引起的流速减慢。（3）截面2和截面3可观察到涡旋现象。造成这种结果的原因是实际流体由于存在着壁面对它的摩擦阻力，靠近壁面处边界层内流体的动能不断损失，当动能耗尽之后，便会发生停滞和倒流。边界层外的流体由于不受摩擦力，没有动能损失，仍在向前流动，这样在此区域就形成了流体的旋转运动，亦即形成旋涡，使流体不再贴着壁面流动，而是分离出去。而且这些旋涡横截面的流线均由外部指向旋涡的中心Error! Reference source not found.。改变进水口截面形状为研究冷却水的流场分布特性和进行流动特性的对比，对两种进水口管进行了计算和加工。一种为两孔双口进水（孔口尺寸如图所示），另一种为连接两孔变为单口进水。图10 两种进水口截面形状图11 两种进水口三维流场迹线对比计算结果及分析(a)方案中速度方向变化比较明显，其中进水口流场中存在大量的微涡和回流，增加了流动阻力，带来流动损失，从而导致流动压力损失增大。水道的流通截面积过小，造成了水流通过后的迹线紊乱，使流量相对减少。(b)方案中进水口道的设计是为了增大流通截面的面积，从图中可以看出，在进水口的二维流场中，水流迹线相匀分布，并未出现了明显的两股水流分离或并流，这说明流道中的流阻小。显然(b)方案中进水口道方案较优。由于水道CFD仿真计算能得到在台架试验上无法得到的大量三维流场的详尽信息，为柴油机EGR冷却器设计提供理论依据。因此水道CFD仿真计算分析的结果在EGR冷却器产品的开发阶段，对验证初步设计的可行性，并最大限度地降低冷却器的流动阻力，提高冷却效率，准确找出水道结构中不合理的部位，提出了改进建议进行优化设计。V. 结论(1) 本文基于CATIA软件针对某款进口轿车柴油机EGR冷却器提出了轿车EGR冷却器实现快速三维建模设计方法，(2) 应用CFD技术，参考柴油机EGR台架实验装置建立了CFD仿真模型，对水侧流场进行流场分布特性和流动特性计算分析，得到详尽的三维流场的信息。此外通过对冷却器进水口两种不同截面形状的流动特性的对比，准确找出不合理的几何部位，进行了进水口具体结构的改进优化。改变了冷却水在水道中的不良流动情况，有效提高了冷却效果。(3) CAD/ CFD现代设计流程可以有效地缩短设计研发周期、CFD技术的成熟应用使得模拟计算结果具有相当高的精度。有效减少试验次数，降低了生产成本，节约了人力物力，可以使改进设计工作更加方便快捷，是一种有效的计算机辅助设计手段。(4) 本文所采用的流体热力学建模方法可推广到其他各种类型和结构形式的EGR冷却器的仿真研究.并为EGR冷却器的结构设计和性能改进提供有力的理论依据，对于同类问题的产品设计模式都有一定的借鉴和启发。对改善柴油机的排放有重要意义。References1 MENG Lingtao, LIU Li, LONG Teng, XIE Lunxu, Application of Parameterized Wing Model to CFD Based on CATIAJ, Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, Vol.28,pp.161-164,2008 (In Chinese).2 Geng Lizhen, Yuan Zhaocheng, Li Chuanbing, Lan Diandian, Ma Jiayi,& Li Shengcheng, A Study on CFD Simulation Analysis and Noise Reduction for the Cooling Fan of Car EngineJ, Automotive Engineering, Vol.04,pp.11-14,2009 (In Chinese).3 Dong Xiaobin, Yuan Zhaocheng, Lu Bingwu, Wang Ji,