柴油机增压中冷器数值模拟与设计和实现 机械制造及其自动化专业

摘要在讲述，中冷器类型、结构中，介绍了高效换热器、板翅式换热器的结构原理对东风朝柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压后温度、空气质量流量及增压比，计算出了增压空气在中冷器处的进口流量及进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量，环境温度及中冷器出口温度，计算出中冷器需要散失的热量，再去确定中冷器的传热系数，同时对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。用软件绘制出设计的中冷器零件图，利用CFD商业软件Fluent中的前置处理器Gambit对该中冷器网格划分、边界条件定义，再导入Fluent进行边界条件设定、模拟计算和结果分析，最后确定中冷器优化的方向及优化措施。关键词：CFD技术；柴油机；冷器数值模拟；设计ABSTRACTThe

article

introduces

the

structure

theory

of

High

EfficiencyHeat

and

Plate-fin

Heat

Exchange

by

elaborating

the

types

and

structures

of

the

Int.

Simultaneously,

it

estimates

the

temperature

of

Don9

ChaochaiY4100ZLQ

turbo

engine

aft

pressurization,

air

mass

flow

rate

and

pressure

ratio

and

calculates

the

inlet

flow

and

inlet

temperature

through

the

pressurized

air

in

the

Inter.

Then,

according

to

the

air

flow

generated

by

the

fan,

the

environment

temperature

and

the

outlet

temperature

of

the

Int,

it

calculates

the

dissipating

heat

of

the

Int

and

then

determines

the

heat

transfer

coefficient

of

the

Inter

The

third

is

to

check

the

loss

of

the

hydraulic

pressure,

boosted

temperature

and

the

area

of

heat

dissipation.

The

fourth

part

is

to

draw

the

map

of

the

designed

parts

of

the

by

software,

using

the

front

processor

Gambit

of

Fluent,

one

of

the

CFD

commercial

software,

meshes

the

Int

and

defines

the

boundary

conditions,

and

then

sets

the

boundary

conditions

by

input

into

the

Fluent

software,

simulation

calculation

and

result

analysis.

Finally,

it

determines

the

optimization

direction

and

measures

of

the

Inter.

Keywords:

CFD

technology;

Diesel

engine;

Cooler

numerical

simulation;

design

目录诚信声明……...………….............………....Ⅰ摘要…….....................................................................ⅡAbstract…………….................……..………Ⅲ第一章前言……................................................................................................................2柴油机中冷器简介............................................................................................32.1柴油机中冷器的类型和结构............................................................................................42.2柴油机中冷器的类型........................................................................................................52.3柴油机中冷器的结构........................................................................................................6第三章中冷器的计算........................................................................................................73.1中冷器结构参数及使用工况.............................................................................................83.2中冷器参数计算................................................................................................................93.2.1中冷胎冷侧散热面积F的计算............................................................................103.2.2发动机要求的热侧空气流....................................................................................113.2.3中冷器的迎风面积................................................................................................12第四章柴油机中冷器的CFD模拟优化....................................................................134.1CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性......................................................144.2管翅式中冷器的CFD设计............................................................................................15 4.2.1中冷器的建模....................................................................................................164.2.2网格划分.............................................................................................................174.3结果分析.................................................................................................................18结论.........................................................................................................................................19参考文献................................................................................................................................20致谢.........................................................................................................................................21附录A......................................................................................................................................22第一章前言随着汽车节能环保政策法规的深入推行，发动机清洁燃烧与尾气净化技术不断进步，其中增压中冷技术逐渐成为业界的热点．社会在发展，汽车等行业也在飞速发展，内燃机的社会保有量也在不断增加，其排放威胁人类身体健康越来越受到人们的关注。在人口十分密集的城市，汽车排放对人类将带来很大危害。世界各国相继推出日益严格的的排放法规来控制汽车尾气对大气环境的污染，特别哥本哈根会议之后，对汽车排放要求更加严格。为了满足最新的排放法规要求，是发动机能够降低排放污染物，人们提出了多种方案。而其中涡轮增压器加器（即增压中冷系统）的方案一方面可以进一步提高内燃机进气管内气体的密度,提高内燃机的功率输出;另一方面还可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度,从而降低内燃机的排气温度、热负荷以及NOx的排放，如图1-1。图1-1涡轮增压中冷系统对增压柴油机高进气增压压力总是需要冷却,由于助推器的作用是提高发动机进气密度,从而增加了燃油喷射为了提高平均有效压力。但随着压力的增加比率,压缩机出口空气温度较高,因此在某种程度上,限制了气体密度的增加。最后这么冷,温度对柴油机的燃烧过程和排放性能产生重大影响。进口也可以是恒定位移柴油机,质量不增加的情况下增加输出功率,通过合理匹配设计的目的,还能有效改善内燃机的排放性能。随着压强的增加,入口温度的显著增长阻碍了进一步改善内燃机的性能。实验结果表明，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，它的密度约增大3%，当空气燃烧消耗率都保持不变时，柴油机输出功率可以提高3%～5%。不仅如此，柴油机效率也随着增压空气温度下降而上升，同时还能降低排放中的污染物，改善发动机的低速性能。因此，增压柴油机中通常采用中间冷却技术(以下简称中冷技术)。它不但可以提高发动机的功率，而且还可以降低发动机的热负荷和排气温度，用以达到降低增压柴油机排放降低的目的。综合来看，使用中冷器的必要性如下。（1）增加功率；（2）减少燃油消耗；（3）减少热负荷；（4）减少粉尘；（5）减少NOx的排放；（6）国家法律要求；（7）减少爆震（用于点火发动机）因为增压中冷系统的应用,特别是在汽车柴油机领域的使用越来越多的轻型汽车。因此,中冷器,压缩空气进入气缸冷却装置之前,是涡轮增压柴油机正常运行不可或缺的一部分。了解机器的结构设计,冷却效率的研究及其研究方法成为一个非常重要的话题。中冷柴油发动机管道设计原则:（1）要减少方向的改变中，冷系统管路布置要简洁。（2）管路应设固定装置。（3）不能使用橡胶弯头来改变方向，因为它会被高压进气吹脱落。柴油机中冷器的设计要求主要是：（1）结构简单、紧凑（2）工作可靠、成本低（3）提高中冷器的换热能力；（4）减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失。第二章柴油机中冷器简介柴油机中冷器本质上是热交换器的一种。它能提高增压柴油机的新鲜空气密度。对压缩空气进行冷却。它是增压柴油机不可缺少的部分，提高柴油机的功率，增大柴油机的进气量，降低污染物的排放。在实际应用中，其类型和结构差别很大。2.1.柴油机中冷器的类型和结构2.1.1.柴油机中冷器的类型中冷柴油发动机设备类型有很多分类,台涡轮增压中冷柴油机是目前使用最多错流在寒冷的室外壁冷却方式。根据冷却介质是不同的,我们有一个水冷和风冷中冷机两大类:1.水冷式冷机是用冷却水冷却热压缩空气、冷却水冷却冷机的冷却水系统根据不同的方式我们可以分为两种;（1）柴油机冷却系统冷却水冷却增压柴油机在这个不需要设置水冷模式,结构简单。柴油机冷却水温度较高,在低负载的压缩空气加热,提高低负荷的燃烧性能;但在高负载的压缩空气冷却效果较差。因此,这种方法只能用于c涡轮增压中冷柴油发动机。（2）两套独立的冷却水冷却中冷柴油发动机系统有两套独立的冷却水系统,高温冷却水系统用于冷却机、低温冷却水系统主要用于冷却设备和中冷油冷却器。这种冷却方式最好的冷却效果,因此在内燃机广泛应用于汽车、海洋和固定使用柴油发动机。2.冷空气冷却单元中，冷中冷装置是利用自然空气冷却介质冷却热压缩空气。气冷式冷却中冷装置根据不同驱动冷却风扇功率分为以下两种方式。（1）柴油机曲轴适用于汽车柴油发动机驱动风扇,面前的冷机组冷却水箱,冷却风扇,汽车是由柴油发动机曲轴在风和寒冷和冷却水箱。汽车发动机中冷通常使用这种方法。但冷发生在低负载。（2）在压缩空气涡轮风扇压缩空气涡轮风扇中冷系统由压缩机发出一个小空气涡轮,涡轮驱动的风扇冷却中冷分发器,由于有限的驾驶涡轮气流,涡轮做功越少,风扇提供冷却空气体积比较小,显然其冷却效果较差。由于增压压力随负载变化,所以的冷却方式冷却风量也随负载变化和低负载时,风量小,高负荷时,风量大,有利于不同负荷燃烧性能。和它的尺寸很小,在车里,安装方便。2.1.2柴油机中冷器的结构1.水冷结构寒流广泛使用水冷中冷使用管板结构。管板中冷器在许多位置的层散热器冷却水管和锡焊或堆焊焊接在一起。由俄罗斯进口冷轧翅片管冷技术由于使用可靠性的优点,传热系数大,也开始受到重视。在增压中冷柴油机系统地识别和应用。管片式中冷器管板和中冷在许多位置的层管散热器、锡铅焊料焊接在一起。冷却水管和散热器制造铜或铜。管的排列有叉行和行两种,管道横截面的形状是圆形,椭圆形,扁平管,形状和流线型的下降,etc.Pipe具有良好的工艺性和可靠性,但空气流动阻力大,空气压力损失更大。形状和流线型的下降管空气阻力越少,而是因为工艺性和可靠性差,现在很少使用。椭圆管和管和扁管相比,具有较高的传热系数,减少空气阻力,工艺性和可靠性比圆管但优于平面管。冷轧翅片管式中冷器冷轧翅片管是由金属板或内硬外软致力于陷入双金属管在球场上。通常,铜或铝钣金工作;工作在黄铜,铝双金属外管工作。双金属管道用两种金属铜的过程中固体联合在一起,几乎没有差距,即使在振动条件下长期工作不会释放,翅片管的管方法固定在端板。整个过程没有焊接,没有虚拟拆焊后焊接工作和长期振动现象。的主要优势,因此,冷轧翅片管冷阱较少接触热阻、高传热系数和良好的工作可靠性。它的缺点是,在同样的体积冷却面积少,空气阻力损失更大。冷轧翅片管结构如图2-1。图2-1冷轧翅片管结构2.风冷中冷装置是由增压空气冷却高温空气后,由于热端和冷端热传递介质是空气,两侧的对流传热系数在同一数量级,因此应该大致相同的两边的传热面积,结构的风冷中冷扁管、翅片管式热交换器。平管冷散热器的扁管,压缩空气流管,冷却空气在管外流动。由于热端换热面积太小,使心脏的传热效率低,很少使用。应用程序更翅片管翅式中冷两种类型。板翅式中冷器板式换热器中冷结构之间的0.5-0.8毫米厚的金属板,钎焊与0.1--0.3毫米厚的薄金属板制成的鳍,密封板两端的极限。因为鳍层的方向错了90度,两个不同的方向鳍分别形成两种通道的错流传热介质。翅片类型感冒主要是由铜和硅和黄金,其结构简单、传热面积大,效率高。光直翅片传热系数和阻力损失很小,只有在特殊的场合严格与阻力。为了提高空气扰动,破坏边界层加强传热,可以使用锯齿形翅片或穿孔鳍翅片类型,等锯齿状鳍促进流体湍流,破坏的有效热阻边界,传热系数高于光直鳍30%以上。大部分的冷,用锯齿形翅片。管翅式中冷器管翅式的结构是在管翅基础上发展和热侧通道多孔管的形成。与板式换热器相比,它的主要优点是热的一面。因为使用成型管,简化了过程,以避免内壁鳍和虚拟焊接和工作振动之间的脱焊造成的接触热阻,提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热的一面只有连续光通道,难以采取措施,绕流。目前,换热器中冷装置有越来越多的应用。风冷式中冷器的构造和工作原理（以板翅式为例）如图2-2所示为板翅式热交换器的结构基本单元冷热流体在相邻流动的基本流道中流动,成为一体,通过换热翅片和翅片板。因此,这种结构的基本单位是热传导的基本单位。根据流体流动的模式很多这样的单位细胞布局叠加,钎焊翅片换热器板梁的身体或身体核心。一般来说,从强度、保温和制造过程的需求,比如顶部和底部板梁也各有许多虚假的翅片层(也称为强度层或过程)。板梁的两端通过适当的流体入口,可以形成一个台板翅片换热器。翅片是换热器翅片是最基本的元素。大部分的冷热流体之间的热交换通过鳍,一小部分直接通过分区。正常的,设计上的翅片传热面积约67%的总换热器传热面积~88%。翅片和隔膜之间的联系是完美的钎焊,所以大部分的热翅,通过隔膜和冷流体的鳍。由于翅片传热换热,不像分区直接所以鳍有绰号第二表面。二次传热表面通常低于传热的传热效率。但如果没有基本的翅最简单的无数波纹板式换热器。空气和加州大学艾姆斯实验室分别为没有鳍和翅片换热器的实验证明了鳍比没有翅片式换热器的体积减少了18%以上。如果设计的翅片效率为70%,最低的重量可以减少10%。鳍,此外,承担任务的主要传热两个分区在加强中也扮演了重要的角色。虽然鳍和隔膜材料很薄,但强度的单位细胞的构成非常高,能承受高压。翅片的型式很多，以下介绍其中的几种常用型式：①平直翅片又称光滑翅片，是最基本的一种翅片。光滑翅片可由薄金属片滚轧或冲压而成。平直翅片是有带光滑壁的很长的长方形翅片，特点是当流体在形成的流道中流动、它的传热和流动特性与长的圆管中的传热和流动特性相似。这种翅片的主要作用是扩大传热面，但对于促进流体湍动的作用很少。相对于其他翅片，它的特点是换热系数和阻力系数都比较小，所以宜用于要求较小的流体阻力而其自身传热性能又较好(如液侧或发生相变)的场合。此外，翅片的强度要高于其他类型的翅片。故在高原板翅式换热器中用得较多。②锯齿翅片它可以被视为一个平翅片切成许多小块,交错,形成定期间歇类型的鳍。这种翅促进流体湍流,破坏热边界层是非常有效的。在压力损失在相同条件下,其平直翅片的传热系数高于30%以上,有“高效翅片,”的说法。锯齿形翅片传热性能随翅片切开长度而变化，切开长度越短，其传热性能越好，但压力降增加。在传热量相同的条件下，其压力损失比相应的平直翅片小。该种翅片普遍用于需要强化传热(尤其是气侧)的场合。③多孔翅片它是在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而成的。多孔翅片开孔率一段在5％～10％之间，孔径与孔距无一定关系。孔的排列有长方形、平行四边形和正三角形二种，我国目前采用的多孔翅片，孔径为Φ2．15、Φ91．7，孔距为6．5mm、3．25mm正三角形排列。翅片上的孔使传热边界层不断破裂、更新，提高了传热效果。但它在高雷诺效的范围会出现振动及在雷诺数比较大的范围内具有比平直翅片高的换热泵效，翅片上开孔能使流体在翅片中分布更加均匀，这对于流体中杂质颗粒的冲刷排除是有利的。多孔翅片主要用于导流片及流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。④波纹翅片波纹翅片是在平直翅片上压成一定的波形，它使得流体在流道中一直改变流动方向，以便促进流体的湍动、分离。其效果相当于翅片的折断，波纹愈密，波幅愈大，其传热性能。就愈好。我国常用的组片有平直、多孔和锯齿形翅片三种，并用汉语拼音符号和数字统一表示翅片的型式与几何参数。如70PZ2103，则表示PZ——平直翅片，70——6.5mm翅高，21——2.1mm节距，03——0.3mm翅厚。如是多孔形，则为DK，锯齿形则为JC，几何参数表示法相同。（3）导流片和封头为了便于把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到封头中，一般在翅片的两端均设有导流片。导流片起保护较薄的翅片的作用。使较薄的翅片在制造时不受损坏，避免了通道被堵塞的作用。它的翅距、翅厚和小孔直径比多孔翅片大。结构与多孔翅片相同。封头的作用就是使板束与工艺管道连接起来集聚流体。导流片与封头的示意图如图2-6。根据以上几种结构型式的板翅热交换器，导流片如图2-7所示。图中I型主要是由于在热交换器的端部有两个以上的封头，因此要用导流片把流体引导到端部一侧的封头内。Ⅱ型布置是由于在热交换器端部有三个以上的封头，需要把一股流体引导到中间封头内。Ⅲ型布置主要是用于热交换器端部敞开或仅有一个封头情况下。Ⅳ型是为了满足把封头布置于两侧而设计的。V型布置是为满足管路布置需要而采用的。应注意到设置导流片并不一定能完全克服流体在流道内分配不均匀的问题，因为分配是否均匀还与流体的状态有关。第三章中冷器的设计计算3.1中冷器结构参数及使用状况根据发动机要求，初选中冷能结构及使用工况如表1表1中冷器结构型式及使用工况中冷器结构形式管带式芯子尺寸：宽×高×厚(mm)610×840×65管数43冷却管宽×高×厚(mm)6×62×0.7散热带44进出气室口内径90两气室口距离（mm)630散热带及内置流片波距×波高×宽×厚(mm)4.5×8×65×0.13热风进温度（℃）150热风出温度（℃）50热空气流量（L/S）375冷风进温度（℃）25迎风面积（m/s）153.2中冷器参数计算3.2.1中冷胎冷侧散热面积F计算：S1=Su×i1=4.912m2S2=Si2×i2=18.066m2所以F=S1+S2=22.978式中:Su为单根冷却管的散热面积，m2（表1求出，下同）；il为冷却管根致;SI为冷却管散热面积，m2;S2为散热带的散热面积，m2;S2为单根散热带的散热面积。m2;i2为散热带根数。3.2.2发动机要求的热侧空气流G1=26.4kg/min=0.44kg/s体积流量：V=0.375m3/sSg=Sg1×i1=4.71m2同理SW=2135.5mm2S3=Sg.SW=4.69m2式中:Sg为冷却管的通道面积，m2;Sgi为单根冷却管内腔的截面积，m2;SW为紊流片料厚所占的面积，m2;S3为中冷器热侧通道有效面积，m2。而V1=V/S3=0.375/4.69=0.08m/s可见此流速在最佳流速范围内。3.2.3中冷器的迎风面积Sf=d×h1=0.610×0.840=0.5124m2中冷器冷侧通过面积Sc=h2×h1×S1=(8×840×0.13×16.92×840/4.5)×44×10-6=0.2713m2所以，冷风通过率kc=Sc/Sf=52.9％.第四章柴油机中冷器的CFD模拟优化增压中冷系统对柴油机的动力性、经济性和环保具有重要的贡献。因此在车用柴油机上得到了普遍应用。因为我们国家在汽车柴油机增压中冷技术的发展起步较晚,知道设备的设计还没有形成一套完整的理论,冷的性能评价方法还没有形成一个统一的标准。因此,在寒冷的在产品开发过程中,常常需要进行大量的匹配实验整个机器,导致开发周期和成本的增加,不能满足增压中冷应用程序的需求。现在国际流行的设计,研究方法主要是利用计算机模拟,设计首先,然后实验验证。这样既可以大大的缩短产品开发、设计周期，又可以降低开发成本。本论文增压柴油机的中冷器的设计研究采用通用的商用CFD(ComputationalFluidDynamics,即计算流体动力学,简称CFD)软件Fluent,进行虚拟设计开发研究。4.1CFD技术在管翅式换热器设计开发的优越性车用中冷器由于各种条件的约束，主要有管翅式和板翅式两种类型。相对而言，管换热器中冷应用越来越广泛。翅片管换热器是一种高效紧凑式换热器,与加工技术的发展,扩大了其应用的范围,是广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨工业、船舶、车辆等,其突出优点是结构紧凑,容易流安排,小温差、大热的温度下降。和传统的管式换热器设计通常只依靠简单的理论,长期积累的经验和实验分析确定换热器的结构,但它需要大量的实验基金和长周期,和由此产生的结构形式并不能保证最好的解决方案,因此需要探索更有效和方便的设计研究方法。我们可以看到传统设计流程图的设计过程在传统管式热交换器,冷的影响设计的可行与否往往取决于实验验证。为了确保冷机性能稳定,大量的试验。和筛选和优化产品的设计、制造和测试部门进行系统性循环,由于涉及的链接,产品开发周期长,成本高。而对于工程设计而言,往往又需要进行对方案选择、优化。4.2管翅式中冷器的CFD设计利用Fluent模拟计算中冷器能涉及到中冷器的流动和传热。涉及计算的一般步骤是：几何建模、划分网格、边界设定、物理模型选择、计算和后处理。4.2.1中冷器的建模利用Pro软件该中冷器进行建模工作。先将模型将建,然后导入策略,策略是前处理软件CFD商业软件Fluent,主要作用是建立一个网格模型。它的功能非常强大,可以建立各种各样的几何、边界条件、网格几何和设置,最后将生成计算网格中的文件导入流利。我们对换热器中冷器的结构不构成重大影响的前提下适当的简化建立合理的数学模型，中冷器建模后分为三部分，进气道、出气道、芯体；其中芯体部分做如下简化：只做出增压空气通道，而冷却介质通道挖空，冷气热气之间做对流换热；将进气道、芯体、出气道连为整体。这有助于计算量的减少和计算精度的保证。导入Gambit中的模型如图5-1。中冷器模型（三视图）中冷器模型（主视图）图5-1Gambit建模图4.2.2网格划分完成后的CFD软件的建模工作是建立在有限元分析的基础。因此对所建立的模型进行网格划分。在Gambit中，对划分网格的规定是：对于二维模型可划分三角形、四边形单元，而四边形单元的计算精度高；对于三维模型可划分为四面体、五面体和六面体单元，相对而言六面体单元的计算精度高。本次设计计算使用三维六面体网格单元模型。热压缩空气直接把空气冷却器进出口边界。网格划分的设置如图5-2所示。网格单元取size=5，网格划分后，总共有1780881个六面体单元，对模型进行处理，改进后的模型如图5-3所示：图5-2网格划分设置图5-3网格划分图4.3结果分析从上面的中冷器内部静态压力、速度和温度的云图分布，我们可以看出：1、通过静态压力云图：中冷器的压力呈层状分布，进气道压力由上到下逐渐增大，但压力变化的不大，而出气侧正好相反。这说明高压的热空气进入中冷器后，每层在通过换热芯子时，热空气的压力有所降低。这是由于热交换器芯整体流通截面积应大于流进气和排气侧横截面积和路径的压缩空气在流动的过程中较低的压力造成的。(2)由于进气道由上到下逐渐缩小，使中冷器下端压力偏高，使该处的应力偏高，设计时应该重视。(3)该模型中，拐角处为直角，在实际应用中应避