发动机EGR热交换器性能分析及改进设计ppt课件.ppt

发动机EGR热交换器性能分析及改进设计 目录 概述 1 思路和方法 2 特性分析 3 结论 4 1 概述 1 废气再循环 EGR 1 废气中含有的水蒸汽和二氧化碳气体比热容大 可以有效地降低气缸内最高燃烧温度 抑制NOx的生成 2 废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下降 也能降低NOx的排放 2 EGR热交换器 冷却EGR技术关键3 现实意义 节能环保4 研究现状 主要为制造工艺及材料方面 对其性能方面的研究较少 2 思路和方法 改进结构传热特性 传热与流动特性 YourTexthere FLUENT FLUENT ANSYS 改进后传热与流动特性 结构特性 EGR热交换器 翅片 芯体 管板和翅片 3 冷却水通道分析 3 1传热与流动特性分析 1 冷却水通道模型2 废气通道模型 冷却水通道计算模型 七个子通道截面 传热与流动问题计算过程 1 建立控制方程2 确定边界条件与初始条件 重点 3 划分计算网格 难点 4 建立离散方程5 离散初始条件和边界条件6 求解离散方程7 判断解的收敛性 第一通道 z 2 2mm第二通道 z 9 8mm第三通道 z 17 4mm第四通道 z 25 0mm第五通道 z 32 6mm第六通道 z 40 2mm第七通道 z 47 8mm 3 1传热与流动特性分析 温度场及流场分布 冷却水通道模型温度场分布云图 3 1传热与流动特性分析 冷却水温度场分布 第二通道内出现一个温度梯度很大的区域 最高温度达到了110摄氏度 超过水沸点 而EGR热交换器设计要求中规定冷却水不能沸腾 否则会严重影响其换热效率 Z 2 2mm Z 9 8mm Z 17 4mm Z 25mm Z 32 6mm Z 40 2mm 3 1传热与流动特性分析 流速矢量图 内部流体流动很不均匀性 右面三个通道 也就是靠近冷却水入口处的三个通道 的流速明显高于左面三个通道 而这种流动的不均匀性对换热效果影响很大 综合上面温度场分析 为改善换热效果 EGR热交换器的结构需要改进 耦合传热 该计算模型分为固体区域和流体区域 固体区域即管板壁面和内部翅片 流体区域为一个计算单元内的气体区域 废气以均匀速度和温度进入通道内 并和管壁及翅片交换热量 3 1传热与流动特性分析 边界条件 废气通道模型 4 废气通道分析 废气通道沿X向截面温度场分布 废气通道X向截面 3 1传热与流动特性分析 温度场及流场分布 1 靠近翅片表面 温度梯度较大 气体冷却效果较好 这符合对流传热主要发生在翅片表面处的规律 2 温度边界层是进行对流传热的主要区域 波纹形翅片利用了边界层起始段效应 边界层薄 热阻较小 换热系数较大 使传热得到了强化 Re 1000 Re 3010 进口处 Re 1000 Re 3010 波谷处 3 1传热与流动特性分析 Re 1000 Re 3010 波峰处 3 1传热与流动特性分析 1 在通道中心处出现旋涡 旋涡的出现强化了翅片传热 2 进口处 当Re 1000时 旋涡形成的较快 相对来说 当Re 3010时 回流形成的较慢 改进后EGR热交换器芯体部件 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 ModelA 冷却水入口处安装有阻隔板 管板上带有肋 ModelB 在冷却水入口处安装有阻隔板 管板上不带肋 ModelC 结构改进前模型 即没有阻隔板 管板上不带肋 肋示意图 1 改进后结构的冷却水通道分析 冷却水通道各截面温度分布云图 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 16 16 冷却水通道各截面温度 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 改进后温度场结论 ModelA中 水的温度变化最为平缓 最利于冷却水长时间的保持较高的工作效率 冷却水最高温度分布图 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 改进后流场结论 1 在管板上增加肋之后 冷却水流场分布更加均匀 因此改善了温度场的分布 2 除Z 2 2mm截面外 均可观察到涡旋现象 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 综上所述 改进结构后冷却水流场分布更加均匀 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 2 EGR热交换器芯体模型数值模拟目的 一是得到EGR热交换器的温度效率 二是得到管板的温度场 EGR热交换器芯体计算模型 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 管板温度分布在400K 415K之间 管板中间位置温度较高 而且分布较均匀 说明废气与冷却水之间的对流传热主要发生在中间 区域 比较不同冷却水进口流量下的结果可知 当冷却水流量为12L min时 管板温度较低 即换热效果最好 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 工况参数 ENG回转数 2893rpmENG扭矩 160NmENG油温 96 45 C排气压力 5 5kPa节流阀开度 41 给定工况下模拟数据与实验数据的比较 3 2结构改进后的传热与流动特性分析 1 热应力分析目的 管板两侧的流体会形成一定的温度梯度 由于管板与其它部件的固结 这一温度梯度在管板上形成热应力和热位移 如果热应力过大 可能造成管板变形或损坏 温度载荷和压力同时作用时 热应力通常大于机械应力 压力应力 对管板的作用 顺序耦合分析 通过将前一个物理场分析的结果作为载荷施加到其后一个分析中的方式进行耦合 热应力分析过程是 先对结构进行热分析 然后将热分析所得到的节点温度作为 体载荷 施加到结构的节点上 进行结构分析 结果 最大等效应力41 8MPa s n 205MPa 1 5 137MPa 3 3结构特性分析 管板温度场分布 温度载荷下应力分布 3 3结构特性分析 2 组合应力分析目的 管板除了受到温度变化引起的热应力外 同时还要受到冷却水和废气的压力对它的作用 实际管板受到的力是二者的综合 结果 最大等效应力64MPa 137MPa 3 3结构特性分析 综合载荷下应力分布图 4