柴油機(jī)廢氣再循環(huán)EGR冷卻器CAD∕CFD設(shè)計(jì)

1、.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)EGR冷卻器CADCFD設(shè)計(jì)摘要: 關(guān)鍵詞:I. 引言隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，汽車(chē)的使用越來(lái)越普及，對(duì)汽車(chē)的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來(lái)越高，為保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源，世界各國(guó)相繼制定和實(shí)施了越來(lái)越嚴(yán)格的柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在2000年等效實(shí)施了歐排放標(biāo)準(zhǔn)，2003年9月等效實(shí)施了歐排放標(biāo)準(zhǔn)，在2007年和2010年分別實(shí)施與歐、歐等效的國(guó)家第,階段機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)。滿(mǎn)足我國(guó)排放的技術(shù)路線，統(tǒng)稱(chēng)為EGR技術(shù)路線。冷卻EGR技術(shù)是將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的一部分廢氣經(jīng)過(guò)冷卻后再次引入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸與新鮮空氣混合繼續(xù)參與燃燒，可以提高混合氣的熱容量、降低混合氣中O2的濃度和降低燃燒速度，從而達(dá)到減少柴油

2、機(jī)NOx排放的目的。其中EGR冷卻器是EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，由于體積的限制，要求冷卻器在較小的換熱面積下能夠?qū)崿F(xiàn)大的熱量傳遞。因此，設(shè)計(jì)和制造重量輕、體積小、散熱效率高、價(jià)格低的EGR冷卻器是直接實(shí)施EGR技術(shù)的重要前提。雖然，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者和科研單位也己經(jīng)對(duì)EGR技術(shù)作了大量研究工作，并且EGR技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有了一整套的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法，但距產(chǎn)品化尚有一定距離。并且對(duì)于轎車(chē)用柴油機(jī)EGR技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，目前國(guó)內(nèi)卻沒(méi)有很多現(xiàn)成的設(shè)計(jì)方案可供參考。一方面，國(guó)內(nèi)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)資金的缺乏，技術(shù)意識(shí)的落后，使得國(guó)際上已有所發(fā)展的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有得到很好的應(yīng)用；一方面，國(guó)內(nèi)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)致力于汽車(chē)主要零部

3、件的技術(shù)革新，沒(méi)有足夠重視轎車(chē)用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)的EGR冷卻器的設(shè)計(jì)研究。從而使國(guó)內(nèi)轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器的設(shè)計(jì)手段滯后，轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器的設(shè)計(jì)理論還不夠完善。本文通過(guò)某型轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器的設(shè)計(jì)與分析來(lái)討論CAD/CFD技術(shù)在柴油機(jī)EGR冷卻器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究。II. EGR冷卻器的CAD設(shè)計(jì)與CFD輔助分析以法國(guó)達(dá)索公司的軟件CATIA V5進(jìn)行EGR冷卻器的三維實(shí)體設(shè)計(jì),然后將零件組裝成EGR冷卻器總成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)CATIA V5的強(qiáng)大功能來(lái)對(duì)EGR冷卻器采用參數(shù)化的實(shí)體造型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),經(jīng)消隱及著色等處理后顯示物體的真實(shí)形狀,進(jìn)行裝配及運(yùn)動(dòng)仿真,以便觀察有無(wú)干

4、涉,便于修改設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。用三維建模軟件CATIA建立并簡(jiǎn)化EGR冷卻器的三維幾何模型，根據(jù)所研究的EGR冷卻器的特點(diǎn)，建立了冷卻水通道模型，并將其導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中建立EGR冷卻器的仿真模型。邊界條件按照EGR冷卻器實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定后，計(jì)算研究了內(nèi)部冷卻水通道的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律。反復(fù)修改流場(chǎng)模型直到滿(mǎn)足最佳的流動(dòng)阻力和流動(dòng)均勻性。水側(cè)進(jìn)水口管件和冷卻水道的CAD造型將根據(jù)上述匹配計(jì)算與內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果確定。經(jīng)過(guò)上述CAD/CFD設(shè)計(jì)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、模具生成等方法進(jìn)行加工。最后到試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)整改

5、進(jìn)，直到滿(mǎn)足性能的設(shè)計(jì)要求和明顯提高冷卻器的冷卻效率。 從三維模型、零件CAI)模型到零件加工和試驗(yàn)驗(yàn)證都不是相互孤立的，各個(gè)步驟之間有著密切的聯(lián)系。圖1為結(jié)合CAD與CFD對(duì)EGR冷卻器進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程圖。圖1 CAD與CFD對(duì)EGR冷卻器進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程圖III. 基于CATIA的轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器三維設(shè)計(jì)EGR冷卻器是EGR技術(shù)的關(guān)鍵部件，它主要由芯子、外殼及連接水管、安裝法蘭等組成，如圖2。圖2 EGR冷卻器零件圖 A. 轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器的虛擬裝配利用法國(guó)達(dá)索公司的軟件CATIA V5可進(jìn)行EGR冷卻器零件的三維實(shí)體設(shè)計(jì)，然后將零件組裝成EGR冷卻器總成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)C

6、ATIA V5的強(qiáng)大功能，在虛擬裝配環(huán)境中，裝配模型所包含的信息是隨著產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃進(jìn)程不斷完善的。零部件模型又包含了裝配所需零部件的基本信息（形狀、尺寸、位姿、材料、名稱(chēng)等）。零部件在裝配過(guò)程中并不是簡(jiǎn)單地被復(fù)制到裝配中，整個(gè)裝配部件保持關(guān)聯(lián)的一致性，只要編輯或修改整個(gè)零部件的幾何參數(shù)，則引用它的裝配模型自動(dòng)更新相應(yīng)的參數(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤反映零部件的最新變化。以保證后續(xù)的“虛擬”裝配規(guī)劃。圖3為EGR冷卻器零部件裝配順序和路徑，同時(shí)還需考慮各零件模型之間約束關(guān)系。建立裝配約束可以快速定義模型的約束狀態(tài)，解決零件模型之間無(wú)約束的問(wèn)題。圖4為基于裝配順序、路徑和裝配約束的EGR冷卻器零部件裝配模型圖

7、。圖3 轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器部件裝配順序和路徑圖4 基于裝配順序、路徑和裝配約束的轎車(chē)用柴油機(jī)EGR冷卻器部件裝配模型圖B. 裝配過(guò)程的干涉檢驗(yàn)裝配過(guò)程的干涉檢驗(yàn)是“虛擬”裝配設(shè)計(jì)成功的保障。裝配干涉檢驗(yàn)要先選定檢驗(yàn)范圍，在選定了干涉檢驗(yàn)范圍后，可以準(zhǔn)確地檢驗(yàn)出所選零部件之間是否存在干涉現(xiàn)象。轎車(chē)用柴油機(jī)廢氣再循環(huán)EGR系統(tǒng)的虛擬裝配過(guò)程也出現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉現(xiàn)象，經(jīng)分析屬于設(shè)計(jì)問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)后干涉現(xiàn)象消失。圖5為最終裝配效果圖。圖5 轎車(chē)用柴油機(jī)EGR系統(tǒng)虛擬裝配效果圖IV. EGR冷卻器的CFD建模與仿真分析 EGR冷卻器的內(nèi)部核心主體，其形狀復(fù)雜，里面的冷卻水通道形狀也較為復(fù)雜。圖6

8、（a）和6(b)為所研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)分解透視圖和冷卻器內(nèi)部的氣、液流動(dòng)方式。核心主體的構(gòu)成，首先通過(guò)將金屬板以折扇方式彎折，然后彎曲成扁平矩形空間，交替形成冷卻水和高溫廢氣流動(dòng)通道；冷卻水通道端部邊緣的兩端用端部支撐板阻塞，起阻隔冷卻水和廢氣接觸并支撐管板的作用。翅片被插入廢氣排放流動(dòng)通道中，由此形成核心；核心主體的外周安裝在管狀殼體中，從而阻塞相鄰的彎折端部邊緣之間的聯(lián)通； 圖6(a) EGR冷卻器核心區(qū)域分解透視圖圖6(b) EGR冷卻器內(nèi)部的氣、液流動(dòng)方式 如今計(jì)算流體力學(xué)軟件發(fā)展得比較成熟，計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。采用CFD可以縮短EGR冷卻器的設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)周期，能夠大幅度降

9、低試驗(yàn)成本，可以得到EGR冷卻器的總體性能和可以實(shí)現(xiàn)EGR冷卻器內(nèi)部的流體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的可視化，而且可以得到通過(guò)試驗(yàn)方法無(wú)法測(cè)到或難于測(cè)到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的溫度、流速等參數(shù)細(xì)節(jié)Error! Reference source not found.。此外，還可以及時(shí)了解結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)局部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。計(jì)算流體力學(xué)是對(duì)流場(chǎng)的控制方程用計(jì)算數(shù)學(xué)的方法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上或中心上求解，獲得場(chǎng)變量的近似值的一種方法，目的是為了定性和定量地了解流體流動(dòng)的物理現(xiàn)象，模擬復(fù)雜流體場(chǎng)內(nèi)包括速度、壓力、溫度等物理量的分布情況。更深刻地認(rèn)識(shí)整個(gè)冷卻過(guò)程的流動(dòng)機(jī)理?？刂品匠谭謩e是連續(xù)

10、性方程、動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)和能量方程，適用于相關(guān)流體力學(xué)和熱力學(xué)等物理系統(tǒng)的研究，并且是它們所遵循的普遍規(guī)律。A. 冷卻水通道數(shù)值分析由于EGR冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形狀比較復(fù)雜，為了減少仿真分析時(shí)的計(jì)算工作量，在對(duì)仿真分析結(jié)果影響不大的情況下，將對(duì)原模型作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，需要將模型改成實(shí)體模型。用三維建模軟件CATIA簡(jiǎn)化后冷卻水通道模型如圖7所示。并且分別從七個(gè)冷卻水子通道各選取一個(gè)代表截面，它們分別位于坐標(biāo)為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=4

11、0.2mm（第六通道）, z=47.8mm（第七通道）處。每個(gè)截面可以代表它所在的子通道。以step格式保存，然后導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件GAMBIT中，進(jìn)行后續(xù)處理。本文參考發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)，按照臺(tái)架試驗(yàn)裝置建立CFD仿真模型， 圖7 冷卻水通道計(jì)算模型B. 網(wǎng)格劃分 由于冷卻水道模型的復(fù)雜性，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不規(guī)則區(qū)域有特別適應(yīng)性，而且在有限體積法中引入非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格后，使得有限容積法和有限元法之間的差別縮小了，在某些情形下兩者是等價(jià)的，本研究計(jì)算分析劃分的網(wǎng)格均為四面體網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際情況及需要，本研究對(duì)冷卻器冷卻水道模型劃分了網(wǎng)格總數(shù)約200萬(wàn)左右。劃分最小尺寸為0.3mm

12、，網(wǎng)格品質(zhì)(Mesh Quality)達(dá)到0.20。在模型的近壁面處，速度、溫度梯度變化較大，需要局部加密，圖3-2是邊界層網(wǎng)格的劃分。 （a）七個(gè)子通道局部放大 （b）冷卻水入口局部放大圖8 邊界層網(wǎng)格在數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定了計(jì)算的精度和計(jì)算效率，高質(zhì)量的網(wǎng)格是實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件，應(yīng)避免過(guò)疏或過(guò)密的網(wǎng)格。網(wǎng)格過(guò)疏往往得到不精確的計(jì)算結(jié)果，甚至?xí)玫酵耆e(cuò)誤的解，有時(shí)還使計(jì)算結(jié)果不收斂；而網(wǎng)格過(guò)密則會(huì)使計(jì)算量大幅度增加，不僅對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高，還會(huì)增加計(jì)算時(shí)間?？梢?jiàn)網(wǎng)格生成是CFD作為工程應(yīng)用的有效工具所面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一。C. 模擬性能計(jì)算1) 流體介質(zhì)及模擬狀態(tài) 為

13、了保證與試驗(yàn)結(jié)果的可比性，CFD計(jì)算過(guò)程中冷卻液選用的是水。計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)2900 rpm時(shí)，冷卻液流量為67.2L/min。采用穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模式，在模擬計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為冷卻液在冷卻水通道中的流動(dòng)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng)。入口邊界采取速度入口，入口水溫度353K；出口邊界采取壓力出口；相鄰兩通道之間的三個(gè)側(cè)面均為對(duì)流換熱邊界，換熱系數(shù)為20，換熱壁面外部的自由流溫度為440K，其余為絕熱壁面。求解方法如下Error! Reference source not found.：（1）根據(jù)本例特點(diǎn)，對(duì)上述控制方程采用分離式解法；（2）選擇壓力速度耦合方法，并選用SIMPLEC算法，離散方式

14、采用二階迎風(fēng)格式；（3）設(shè)定亞松弛因子，初始量按默認(rèn)值；（4）首先屏蔽能量方程，只計(jì)算流場(chǎng)，設(shè)定收斂條件，初始化，開(kāi)始迭代計(jì)算；計(jì)算一定步數(shù)以后，等流場(chǎng)計(jì)算趨于穩(wěn)定之后，打開(kāi)能量方程，二者同時(shí)計(jì)算，最終得到穩(wěn)定解。圖9 不同截面（Z方向）的冷卻水流速解析結(jié)果冷卻水流動(dòng)情況對(duì)于冷卻器來(lái)說(shuō)，內(nèi)部流體流動(dòng)的不均勻性對(duì)換熱效果影響很大Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。圖表示出了冷卻水在冷卻水通道中不同截面（Z方向）處的流速解析結(jié)果圖。由圖可以看出：（1）截面4和截面5入口處冷卻水流速高。平均流速達(dá)到

15、0.55ms。（2）各截面的整體流速分布比較均勻，從而冷卻水在每一通道中能夠平滑的流動(dòng)并且加快熱交換。這樣的設(shè)計(jì)有利于廢氣的均勻換熱。但可以看出在冷卻器的內(nèi)核芯子中冷卻水的流速分布由下至上（截面1至截面7）分布略有不同。底部的流速較上部偏低，相應(yīng)的流量也低于下部。造成這種結(jié)果的原因是冷卻水進(jìn)入水側(cè)時(shí)，流體的沿程損失引起的流速減慢。（3）截面2和截面3可觀察到渦旋現(xiàn)象。造成這種結(jié)果的原因是實(shí)際流體由于存在著壁面對(duì)它的摩擦阻力，靠近壁面處邊界層內(nèi)流體的動(dòng)能不斷損失，當(dāng)動(dòng)能耗盡之后，便會(huì)發(fā)生停滯和倒流。邊界層外的流體由于不受摩擦力，沒(méi)有動(dòng)能損失，仍在向前流動(dòng)，這樣在此區(qū)域就形成了流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，亦即

16、形成旋渦，使流體不再貼著壁面流動(dòng)，而是分離出去。而且這些旋渦橫截面的流線均由外部指向旋渦的中心Error! Reference source not found.。改變進(jìn)水口截面形狀為研究冷卻水的流場(chǎng)分布特性和進(jìn)行流動(dòng)特性的對(duì)比，對(duì)兩種進(jìn)水口管進(jìn)行了計(jì)算和加工。一種為兩孔雙口進(jìn)水（孔口尺寸如圖所示），另一種為連接兩孔變?yōu)閱慰谶M(jìn)水。圖10 兩種進(jìn)水口截面形狀圖11 兩種進(jìn)水口三維流場(chǎng)跡線對(duì)比計(jì)算結(jié)果及分析(a)方案中速度方向變化比較明顯，其中進(jìn)水口流場(chǎng)中存在大量的微渦和回流，增加了流動(dòng)阻力，帶來(lái)流動(dòng)損失，從而導(dǎo)致流動(dòng)壓力損失增大。水道的流通截面積過(guò)小，造成了水流通過(guò)后的跡線紊亂，使流量相對(duì)減少。

17、(b)方案中進(jìn)水口道的設(shè)計(jì)是為了增大流通截面的面積，從圖中可以看出，在進(jìn)水口的二維流場(chǎng)中，水流跡線相勻分布，并未出現(xiàn)了明顯的兩股水流分離或并流，這說(shuō)明流道中的流阻小。顯然(b)方案中進(jìn)水口道方案較優(yōu)。由于水道CFD仿真計(jì)算能得到在臺(tái)架試驗(yàn)上無(wú)法得到的大量三維流場(chǎng)的詳盡信息，為柴油機(jī)EGR冷卻器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。因此水道CFD仿真計(jì)算分析的結(jié)果在EGR冷卻器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段，對(duì)驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)的可行性，并最大限度地降低冷卻器的流動(dòng)阻力，提高冷卻效率，準(zhǔn)確找出水道結(jié)構(gòu)中不合理的部位，提出了改進(jìn)建議進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。V. 結(jié)論(1) 本文基于CATIA軟件針對(duì)某款進(jìn)口轎車(chē)柴油機(jī)EGR冷卻器提出了轎車(chē)EGR冷卻

18、器實(shí)現(xiàn)快速三維建模設(shè)計(jì)方法，(2) 應(yīng)用CFD技術(shù)，參考柴油機(jī)EGR臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置建立了CFD仿真模型，對(duì)水側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)分布特性和流動(dòng)特性計(jì)算分析，得到詳盡的三維流場(chǎng)的信息。此外通過(guò)對(duì)冷卻器進(jìn)水口兩種不同截面形狀的流動(dòng)特性的對(duì)比，準(zhǔn)確找出不合理的幾何部位，進(jìn)行了進(jìn)水口具體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。改變了冷卻水在水道中的不良流動(dòng)情況，有效提高了冷卻效果。(3) CAD/ CFD現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程可以有效地縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期、CFD技術(shù)的成熟應(yīng)用使得模擬計(jì)算結(jié)果具有相當(dāng)高的精度。有效減少試驗(yàn)次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了人力物力，可以使改進(jìn)設(shè)計(jì)工作更加方便快捷，是一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段。(4) 本文所采用的流體

19、熱力學(xué)建模方法可推廣到其他各種類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式的EGR冷卻器的仿真研究.并為EGR冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供有力的理論依據(jù)，對(duì)于同類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式都有一定的借鑒和啟發(fā)。對(duì)改善柴油機(jī)的排放有重要意義。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 (

20、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, Ya Hao,