发动机EGR热交换器性能分析及改进设计

1、目录目录概述概述1思路和方法思路和方法2特性分析特性分析3结论结论41.概述概述1.废气再循环（废气再循环（EGREGR）:(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.EGREGR热交换器：热交换器：冷却EGR技术关键3.现实意义现实意义：节能环保4.研究现状研究现状：主要为制造工艺及材料方面,对其性能方面的研究较少。2.思路和方法思路和方法EGR热交换器传热与流动特性分析热交换器传热与流动特性分析冷却水通道有限元分析冷却水通道有限元分析废气通道有限元分析废气通道

2、有限元分析结构合理性验证结构合理性验证EGR热交换器结构特性静态分析热交换器结构特性静态分析热应力分析热应力分析压力应力分析压力应力分析结构合理性验证结构合理性验证确定最终结构确定最终结构合理合理不合理不合理改变结构参数改变结构参数合理合理改变结构参数改变结构参数不合理不合理改进结构改进结构传热特性传热特性传热与传热与流动特性流动特性Your Text hereFLUENTFLUENTANSYS改进后改进后传热与传热与流动特性流动特性结构特性结构特性EGR热交换器翅片芯体（管板和翅片）3. 3. 冷却水冷却水通道分析通道分析3.1 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析1. 冷却水通道模

3、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：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=47.8mm3.1 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析温度场及流场分布温度场及流场分布冷却水通道模型温度场分布云图3.1 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析 冷却水

4、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=2.2mmZ=9.8mmZ=17.4mmZ=25mmZ=32.6mmZ=40.2mm3.1 3.1 传热与流动特性分析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：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

5、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 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析边界条件 废气通道模型4. 4. 废气通道分析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 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析温度场及流场分布温度场及流场分布XX=35mmX=79mmX=2mmX=150mm（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

6、到了强化。Re=1000Re=3010进口处Re=1000Re=3010波谷处3.1 3.1 传热与流动特性分析传热与流动特性分析Re=1000Re=3010波峰处3.1 3.1 传热与流动特性分析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 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析Model AModel A：冷却水入口处安装有阻隔板，管板上带有肋；Model BModel B：在冷却水入口处安装有阻隔板，

7、管板上不带肋；Model CModel C：结构改进前模型，即没有阻隔板，管板上不带肋。肋示意图1.1.改进后结构的冷却水通道分析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 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析16冷却水冷却水通道截面通道截面面积加权平均温度面积加权平均温度(K)(K)最高温度最高温度(K)(K)Model AModel BModel CModel AModel BModel Cz=2.2mm353.04353.10353.44353.47353.72355.61z=9.8mm353.37353.66355.32355.2736

8、0.65382.28z=17.4mm353.36353.82354.28355.73358.81359.75z=25.0mm353.40353.97354.70357.28366.72371.10z=32.6mm353.45353.91353.22357.78361.84355.80z=40.2mm353.37353.93353.23355.07364.13356.50z=47.8mm353.24353.32353.57354.76356.23359.9316冷却水通道各截面温度3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析改进后温度场结论改进后温度场结论:Mod

9、el A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 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析MODEL AMODEL CZ=2.2mm Z=9.8mm3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析Z=17.4mmZ=25mmMODEL AMODEL C3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析Z=32.6mmMODEL AMODEL CZ=40.2mmZ=47.8mmMODEL

10、AMODEL C3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析改进后流场结论改进后流场结论: :（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

11、。3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析2.EGR2.EGR热交换器芯体模型数值模拟热交换器芯体模型数值模拟目的：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 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的传热与流动特性分析 管板温度分布在400K415K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 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的

12、传热与流动特性分析工况参数：工况参数：ENG回转数：2893 rpmENG扭矩：160 NmENG油温：96.45 C排气压力：5.5kPa节流阀开度：41%EGREGR气体气体入口温度入口温度（ C C）EGREGR气体气体出口温度出口温度（ C C）EGREGR冷却水冷却水入口温度入口温度（ C C）EGREGR冷却水冷却水出口温度出口温度（ C C）温度效温度效率率实验数据328.43108.4280.3883.8388.7%模拟数据3271178084.385%给定工况下模拟数据与实验数据的比较给定工况下模拟数据与实验数据的比较3.2 3.2 结构改进后的传热与流动特性分析结构改进后的

13、传热与流动特性分析1.1.热应力分析热应力分析目的：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：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：结果：最大等效应力41.8MPa =s/n =205MPa/1.5=137MPa3.3 3.3 结构特性分析结构特性分析管板温度场分布 温度载荷下应力分布3.3 3.3 结构特性分析结构特性分析2.2.组合应力分析组合应力分析目的：目的：管板除了受到