增压柴油机中冷器设计及CFD模拟优化.docx

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增压柴油机中冷器设计及CFD模拟优化

摘要

本篇论文主要阐述了增压中冷系统对提高柴油机动力和改善柴油机排放性等各方面的重要意义。

着重介绍中冷器对增压中冷系统的重要作用并介绍了中冷器作为换热器的发展过程。

在阐述中冷器类型、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Proe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：

增压中冷中冷器CFD技术柴油机

ABSTRACT

Thispaperdescribesthesignificanceofturbochargedinter-coolingsystemforimprovingthedynamicproperty,emissionperformanceofmoderndieselengine.Firstofall,wefocusontheimportantroleofinter-coolerforturbochargingsystem,andintroducethedevelopmentofitasaexchanger.

Highlyefficientheatexchangers,theprincipleandstructureofplate-finheatexchangersaredescribedbythearticleinthisthesis.ThroughtheapplicationofJTKestimationmethod,airflow,temperatureandthetheoreticalpressureratiooftheknownturbochargedengineareestimated,calculatingtheairinletflowrateandinletairtemperatureforthefollow-updesign.Thenaccordingtotheflowofthecoldairgeneratedbythefan,theambienttemperatureandtheoutlettemperature,theheatdissipationoftheinter-cooleriscalculated;finally,determiningtheheattransmissioncoefficientoftheintercooler,andcheckingthepressureloss,boostedtemperture,radiatingarea.UsingtheCADsoftwaretodrawtheoptimizedpartsandassemblyofthedesignedinter-cooler.

Finally，WeusecommercialCFDsoftwarenamedFluenttomodel、mesh、simulatedandanalysedthiscooler.AndusethetraditionaltheorymethodofthecoolerdesigntoverifytheresultfromFluentsimulation.

Keywords:

intercoolerturbochargedCFDdieselengine

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

目录Ⅲ

第一章绪论1

1.1课题的背景1

1.2中冷器研究现状及发展方向3

1.3本课题的提出4

1.4本课题的主要工作4

1.5本论文各部分的主要内容5

第二章柴油机中冷器简介6

2.1柴油机中冷器的类型和结构6

2.1.1柴油机中冷器的类型6

2.1.2柴油机中冷器的结构7

2.2柴油机中冷器的选型原则12

2.3本章小结12

第三章柴油机中冷器的设计计算13

3.1朝柴CY4100ZLQ柴油发动机中冷器选型13

3.1.1发动机基本参数情况13

3.1.2中冷器型式选择17

3.2原始参数19

3.3几何结构尺寸确定和计算19

3.4传热系数计算21

3.5中冷器的性能校核22

3.5.1用对数平均温差法校核散热面积22

3.5.2用效率传热单元数（NTU）法校核增压温度23

3.5.3压力校核23

3.6中冷器外部结构确定24

3.6.1冷空气和增压空气封条24

3.6.2平板24

3.6.3导流片25

3.6.4增压空气封头25

3.6.5增压空气封头接管26

3.6.6中冷器芯子图26

3.7中冷器连接27

3.8本章小结27

第四章CFD技术现状及应用28

4.1CFD技术介绍28

4.1.1CFD技术的发展现状28

4.1.2CFD技术的分支29

4.2CFD技术的应用29

4.2.1CFD软件的结构29

4.2.2CFD的应用范围29

4.3CFD技术在内燃机领域的应用30

4.4CFD技术在换热器方面的应用30

4.5本章小结31

第五章柴油机中冷器的CFD模拟优化32

5.1CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性32

5.2管翅式中冷器的CFD设计33

5.2.1中冷器的建模33

5.2.2网格划分35

5.2.3边界条件设定36

5.2.4Fluent模拟计算36

5.3结果分析39

5.4中冷器优化40

5.5本章小结42

结论43

参考文献45

致谢及声明46

第一章绪论

1.1课题背景

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

对于增压柴油机当增压压力较高时往往需要对进气进行冷却，因为增压的作用在于提高发动机的进气密度，从而加大喷入的燃料以提高平均有效压力。

但随着增压比的增加，压气机出口空气温度也随之升高，因而在一定程度上限制了充气密度的提高。

所以中冷后进气温度对柴油机的燃烧过程及排放性能有显著的影响。

而且对进气进行增压还可以是柴油机在排量不变、质量增加不大的情况下达到增大输出功率的目的，通过合理匹配设计，还可以有效地改善内燃机的排放性能。

但随着增压强度的增加，进气温度的显著升高阻碍了内燃机性能的进一步改善。

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）

正是由于增压中冷系统的应用，柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。

因此，中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置，是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。

对于中冷器的结构设计，散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。

柴油机中冷器管路设计原则：

1、中冷系统管路布置应简洁，尽量减少方向的改变。

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。

以上目标和要求是相互影响和制约的。

因此我们在设计中冷器之前，必须首先要明确要达到的主要目标和任务，然后通过选择、比较确定一种合适的方案。

在研究、设计过程中，应用CFD（Computationalfluiddynamics）技术虚拟设计、计算中冷器的流通特性和换热效果，并进行仿真分析，将为今后的中冷器开发、设计寻找出一种切实可行的方法。

1.2中冷器研究的现状及发展动向

柴油机中冷器作为换热器的一种，它自身的发展与换热器的发展过程密切相关。

而换热元件是换热器的核心部件，换热元件最初使用光管，其加工容易。

其在换热器油冷器、淡水冷却器等方面取得了广泛的应用。

随着强化传热技术的发展，椭圆管等随之出现，但其管内、外散热面积相差很小，对散热系数相差很大的两种液体间的换热很不适应。

与此同时，扩展表面强化传热得到了长足的发展。

由于对紧凑度方面的要求越来越高，使得管片式换热器在水箱、中冷器等方面得到了较快的发展和广泛的应用，并且一直以来方兴未艾。

目前换热器中流行的板翅式换热元件最早出现于二十世纪三十年代，半个多世纪以来发展比较迅速，尤其是在美国、日本、前苏联、英国、德国等国家，相关研究和制造工作开展的比较早，也比较多，因而相对更成熟些。

由这种冷却元件构成的中冷器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧牢固、适应性强及经济性好等优点，以广泛应用于各个领域。

冷轧肋片管是用于内燃机换热设备的一种高效换热元件。

这种冷轧肋片管已统一肋片标准，使之趋于通用化、系列化，并缩小了各种换热装置的尺寸。

采用冷轧肋片作换热元件的换热器所获得的有益技术性能，可以与其类似的装置特性对比来进一步验证。

换热元件在我国也经历了一个由光管到异型管，再到强化传热管的发展过程，在近些年来，我国除了自己研发外，也在不断的引进国外先进的技术，加以消化吸收，来提高国内换热器产品质量。

在我国对翅片管冷却元件的研究开始于二十世纪六十年代初，至今在空分、石油化工、航空、车辆船舶、动力和电厂等方面都有了比较广泛的应用。

增强换热器传热能力的主要途径有：

扩展传热面积，提高设备单位体积的传热面；改善表面形状和粗糙度；兼顾整个热力系统能量合理应用的情况下，加大传热温差；减少传热热阻；选择最佳的流速，提高湍流脉动程度；在管内外安放小的插入物，在管内加旋转流动装置等以增强扰动。

综合来看目前热交换器发展的总体趋势是：

进一步提高紧凑度，降低耗材，提高传热效率。

传热管元件出现了多样化形式，例如低翅片或低肋螺纹管，绕带或焊接的纵向翅片管；管内外表面呈波纹型的螺旋波纹管，多头螺纹管，多孔管，L型翅片管，锯齿状翅片管等。

这些年来高效率换热元件虽有新的发展，但尚有不少新的工作要做，目前发展动向主要表现是：

1、进一步开发新的高效换热元件，以适应不同领域各种场合的需要；

2、对现有换热元件进一步采用传热强化措施，使其换热特性更好的满足不

同换热的需求；

3、对正在开发推广应用的热交换器进行深入研究，优化结构，缩小体积,减轻重量，节省金属，改善工艺，以期进一步提高换热效果，满足社会的广需要；

4、采用目前流行的计算机虚拟仿真技术（CFD），对换热器进行设计和研究。

1.3本课题的提出

中冷器作为增压柴油机不可缺少的一部分，柴油机涡轮增压器出口气体经中冷器冷却,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。

因此，增压中冷系统对柴油机的动力性、经济性和降低排放污染物具有巨大的贡献。

在当今能源紧缺、注重环保的大前提下，对柴油机中冷器的优化设计及其与柴油机的匹配研究就显得十分重要。

1.4本课题的主要工作

1、对柴油机增压中冷技术的应用背景、现状进行阐述；

2、利用传统方法对中冷器进行设计计算；

3、介绍CFD技术的发展现状及在柴油机开发设计中的应用；

4、利用proe对中冷器模型进行绘制；

5、利用Fluent软件对中冷器进行仿真设计、计算；

6、对Fluent计算结果进行分析；

7、对中冷器设计提出适当优化措施。

1.5本论文各部分的主要内容

本论文先是介绍了柴油机中冷器的研究现状，第二章介绍了中冷器的类型、结构，以及中冷器的选型原则；第三章在选定了发动机型号以后，确定中冷器的类型，并进行相应的计算及校验；第四章是对中冷器进行外部尺寸的确定，并用proe画出中冷器的模型；第五章阐述了CFD的应用领域以及现状；第六章着重讲述了CFD技术在中冷器模拟优化中的应用。

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。

它作为增压柴油机不可缺少的部分，对从增压器流出的压缩空气进行冷却，进而提高进入柴油机的新鲜空气的密度，增大柴油机的进气量，提高柴油机的功率，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

柴油机中冷器的类型有很多分类，目前增压柴油机的中冷器大都采用错流外冷间壁式冷却方式。

我们根据其冷却介质的不同，有水冷式和风冷式中冷器两大类[10]。

1、水冷式中冷器

水冷式中冷器就是用冷却水来冷却热的压缩空气，水冷式冷却的中冷器根据冷却水系的不同我们可以分为两种方式。

（1）柴油机冷却系的冷却水冷却

增压柴油机采用这种冷却方式不需要另设水路，结构非常简单。

柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。

因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。

（2）柴油机两套独立的冷却水冷却

这种柴油机中冷系统有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动

机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器的冷却。

这种冷却方式冷却效果最好，因此在内燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。

2、风冷式中冷器

风冷式中冷器是利用自然空气作为冷却介质来冷却热的压缩空气。

风冷式冷却中冷器根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。

（1）用柴油机曲轴驱动风扇

这种方式适用于汽车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。

车用发动机的中冷器普遍采用这种方式。

但是在低负荷时易出现过冷现象。

（2）压缩空气涡轮驱动风扇

压缩空气涡轮驱动风扇这种中冷系统由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器，由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮做功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。

由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同的负荷时的燃烧性能。

且其尺寸小，在车上也安装方便。

2.1.2柴油机中冷器的结构

1、水冷式中冷器的结构

目前普遍使用的水冷式中冷器采用管片式结构。

管片式中冷器是在许多冷却水管上套上一层层的散热片,经锡钎焊或堆锡焊焊接在一起。

由俄罗斯引进技术的冷轧翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、传热系数大等的优点，也开始受到重视。

在柴油机增压中冷系统同得到了很大的认可和应用。

（1）管片式中冷器

管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡铅焊焊接在一起。

冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。

水管的排列有叉排和顺排两种，水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线型等。

其中圆管工艺性和可靠性较好，但空气的流通阻力较大，使空气压力损失较大。

滴形和流线形管虽然空气阻力较少，但由于工艺性和可靠性差，目前很少使用。

椭圆管与圆管和扁管相比，具有较高的传热系数和较少的空气阻力，其工艺性和可靠性不及圆管但优于扁管。

（2）冷轧翅片管式中冷器

冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用扎机上扎制而成。

通常，单金属管用紫铜或铝；双金属管的内管用黄铜，外管用铝。

双金属管在扎制过程中使用两种金属牢固的贴合在一起，几乎没有间隙，即使在长期振动工作条件下也不会脱开，将翅片管用涨管法固定在端板上。

整个加工过程不用焊接，不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。

因此，冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触热阻少，传热系数高，工作可靠性好。

其缺点是在同样体积下冷却表面积较少，空气阻力损失较大。

冷轧翅片管结构如图2-1：

图2-1冷轧翅片管结构

2、风冷式中冷器结构

风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气，由于热侧和冷侧换热介质均为空气，两侧的对流换热系数在同一数量级，因此两侧的换热面积应大致相同，风冷式中冷器的结构有扁管式、翅片式和管翅式几种。

扁管式中冷器在扁管外围设有散热片，增压空气在管内流动，冷却空气在管外流动。

由于热气侧换热面积太小，使中冷器传热效率低，应用很少。

应用较多的是板翅式和管翅式中冷器两种型式。

（1）板翅式中冷器

板翅式中冷器的结构是在厚0.5—0.8mm的薄金属板之间，钎焊由厚0.1—0.3mm的薄金属板制成的翅片，两端以测限制板封焊。

因各层翅片方向互错90度，两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。

板翅式中冷器大多用铜和硅和金制造，它的结构简单，传热面积大，效率高。

光直翅片换热系数和阻力损失都比较小，只用在对阻力要求特别严格的场合。

为了增强气流的扰动，破坏边界层以强化传热，可以采用锯齿翅片或多孔翅片等翅片型式。

其中锯齿翅片对促进流体的湍流，破坏热阻边界十分有效，传热系数比光直翅片高30%以上。

大多数中冷器都采用锯齿形翅片。

（2）管翅式中冷器

管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来，其热气侧通道是多孔的成型管材。

与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。

由于采用成型管材，简化了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造成的接触热阻，提高了传热效率和工作可靠性。

其缺点是热气侧只能是光直的通道，难以采用绕流措施。

目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。

（3）风冷式中冷器的构造和工作原理（以板翅式为例）

1）基本单元

如图2-2所示为板翅式热交换器的结构基本单元。

冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。

因而，这样的结构基本单元体也就是进行热交换的基本单元。

将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。

一般情况下，从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发，板束顶部和底部还各留有若干层假翅片层（又称强度层或工艺层）。

在板束两端配

置适当的流体出入口封头，即可组成一台板翅式热交换器。

2）翅片的单元和形式

翅片是板翅式热交换器的最基本元件。

冷热流体之间的热交换大部分通过翅片，小部分直接通过隔板来进行。

正常设计中，翅片传热面积大约为热交换器总传热面积的67％～88％。

翅片与隔板之间的连接均为完善的钎焊，因此大部分热量传给翅片，通过隔板并由翅片传给冷流体。

由于翅片传热不像隔板那样直接传热，故翅片又有“二次表面”之称。

二次传热面一般比一次传热面的传热效率低。

但是如果没有这些基本的翅片就成了无波纹的最简易的平板式热交换器了。

美国加利福尼亚大学和埃姆兹航空实验室分别对没有翅片和有翅片的热交换器进行试验证明，有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了18％以上。

假如设计的翅片效率最低为70％时，其重量可减少10％。

翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用。

尽管翅片和隔板材料都很薄，但由此构成的单元体的强度很高，能承受较高的压力。

翅片的型式很多，如：

平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片等。

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。

它可由薄金属片滚轧（或冲压）而成。

平直翅片的特点是有很长的带光滑壁的长方形翅片，当流体在由此形成的流道中流动时、其传热特性和流动特性与流体在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锯齿翅片它可以看作平直翅片被切成许多短小的片段，相互错开一定的间隔而形成的间断式翅片。

这种翅片对促进流体的湍动，破坏热边界层十分有效。

在压力损失相同的条件下，它的传热系数要比平直翅片高30％以上，故有“高效能翅片”之称。

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。

它在雷诺数比较大的范围内（10’一10‘）具有比平直翅片高的换热泵效，但在高雷诺效范围会出现吸音和振动。

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波纹翅片它是在平直翅片上压成一定的波形（如人字形，所以又称人字形翅片），使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍动，分离或破坏热边界层。

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）封条

封条作用是使流体在单元体的流适中流动而不向两侧外流。

它的上下面均具有0.15mm的斜度，以便在组成板束时形成缝隙，利于钎剂渗透。

它的结构形式很