复合混流式中冷器性能研究

2021-10-31张博峰索建秦王芳兰

车用发动机 2021年5期

张博峰，索建秦，王芳兰

(1.陕西职业技术学院，陕西西安 710038；2.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安 710072；3.西安真铎科技有限公司，陕西西安 710077)

目前，中冷器性能的评价指标主要有中冷器传热系数和热空气流过中冷器的阻力，一般性能优良的车用空-空中冷器同时满足传热系数大和压力降小两个特点[1-2]。

张博峰[3-6]的研究表明，中冷器内气流流动均匀性对中冷器的换热性能以及可靠性都有着重要的影响，并提出了带有导流装置的中冷器和带有整流装置的中冷器，仿真分析结果表明，改善中冷器内部流动均匀性将带来更加均匀的内部气流速度分布，从而提高中冷器的可靠性和散热性能。P. Stephenson[7]的研究表明,中冷器的进出口位置和中冷器进出气室的形状通常都对气流的均匀性起着决定性的作用，对系统的冷却性能同样起着重要的作用。

前期的研究表明，空-空中冷器内部热空气的气体流动均匀性直接影响着中冷器的换热性能以及可靠性。较好的中冷器进气气室设计使中冷器内部气体流动均匀性得到较大提升，从而提高中冷器的性能。但是对于目前的车辆而言，由于受车辆前舱结构以及布局的约束，车用空-空中冷器内部气流分配不均的问题十分突出。中冷器内部气体流动分配均匀性差一般会产生以下影响：1)容易导致中冷器芯体出现较大的速度以及温度分布差异，中冷器芯体部分区域的散热能力难以有效发挥，从而使中冷器整体的散热性能下降；2)不同中冷器散热管内部气体流速的较大差异容易产生较大的温度梯度，从而产生较大的温度分布差异，增加中冷器芯体的热应力，进而影响中冷器的使用寿命。对于车用空-空中冷器，完成气体分配功能的结构主要是中冷器的进气气室，所以进气气室的结构对于中冷器气体流动分配均匀性的影响至关重要。同时也有研究表明，在空-空中冷器的进气气室内部设计整流装置或者导流装置，可以有效提高空-空中冷器的内部气流流动均匀性[6]。

基于对空-空中冷器内部气流的分配均匀性的研究，本研究提出了复合混流式中冷器结构，采用计算流体力学(CFD)方法和试验方法对复合混流式中冷器的性能进行了研究。

1 中冷器结构

图1示出车用空-空中冷器的结构示意，这是一种典型的商用车空-空中冷器，具有以下特点：中冷器的进出气口左右对称，进出气口的上下相对位置偏离中心，中冷器散热芯体纵向尺寸较大，中冷器气室扩口的横向距离较小。由于受车辆机舱空间布置的影响，类似的车用空-空中冷器结构形式十分常见，所以本研究就以这种典型的中冷器结构作为研究对象进行中冷器内部气流分布均匀性的研究工作。传统的空-空管带式中冷器主要组成部分包括中冷器散热芯体、中冷器进气气室、中冷器出气气室。气室与芯体可以焊接为一体，或者是机械压装为一体。中冷器散热芯体主要组成部分包括主片、散热管、散热带、紊流片、侧板，芯体装配完成后钎焊为一体。中冷器芯体的参数见表1。

图1 中冷器结构示意

表1 中冷器结构参数

基于前期对带导流装置的中冷器和带混流装置的中冷器的研究工作，本研究提出了具有复合式混流装置的中冷器。图2示出复合混流式中冷器的结构示意。

图2 复合混流式中冷器结构示意

由图2可见，中冷器进气气室中设计有复合混流装置，进气室的其他结构未作改变，中冷器出气气室保持不变。

为了研究复合混流式中冷器的内部气流分布均匀性，在进气气室内部安装了不同的复合式混流装置，设计了10种中冷器结构模型。气室的外部结构与原中冷器相同(见图3a)，仅在中冷器气室内部增加复合混流装置(见图3b)。图3c示出复合混流装置的结构。该装置的主体结构是根据气室的形状设计而成的导流板，导流板上开有孔，这些孔可对通过的气体进行整流。通过调整复合式混流装置上的开孔形状和开孔率设计出了不同的复合混流装置，共设计了10种复合混流式中冷器。根据这些中冷器的结构模型得到每个中冷器的流体域模型，用于后期的计算，分析复合式混流装置对中冷器流动均匀性的影响，并确定出优化中冷器模型进行试验验证。

图3 复合混流式中冷器气室结构示意

2 仿真分析

2.1 模型定义

本研究采用计算流体力学软件对空-空中冷器内部气体的流动状态进行模拟仿真。仿真过程中进行了如下假设：空气设定为不可压缩；湍流模型设定为RANS算法中的realizable κ-ε模型；固壁面设定为无滑移边界。差分格式中，采用标准格式的压力项，速度项、湍动能项和湍流黏性系数项都采用二阶迎风格式，定义压力与速度之间的耦合算法为SIMPIE[2]。本次仿真中的数学模型均基于以下的简化和假设：1)工作流体定义为牛顿流体；2)流体为稳定流动状态；3)密度差异引起的浮升力以及流动时黏性耗散所产生的热效应均忽略；4)流动过程中均不发生相变变化[8]。

2.2 边界条件定义

此次模拟计算中的边界条件见表2。

表2 边界条件设置

2.3 评价参数

为了定量地研究空-空中冷器内部气体流动的分布情况，将单个散热管作为基本的研究单元，对每个中冷器散热管的质量流量统计计算。通过对中冷器内所有散热管的质量流量计算分析，从而评价中冷器整体的内部气流分布均匀性。为了有效评价中冷器内部气流的流动均匀性，定义了以下参数。

(1)

式中：N代表散热管的总数量；Gk表示第k个散热管内的质量流量。对于完全均匀分配的中冷器，每个散热管内的质量流量相同。

2) 质量流量偏差Dk。中冷器中第k根散热管内的气体实际质量流量与平均质量流量之间的相对偏差值。

(2)

(3)

4) 均匀性系数γ。为了表示中冷器芯体内气体流动分布均匀的程度，引入流量均匀性系数，其表达式为

(4)

由式(4)定义可知，均匀性系数γ=1时，中冷器芯体中所有散热管的气体质量流量完全相同，没有差异，此时中冷器内部分布均匀性最好，属于理想状态，现实中并不存在。在一般情况下，均匀性系数1>γ>0，γ的值越接近1，气流在中冷器散热管中的分布越均匀，各个散热管内气流的质量流量差值越小；均匀性系数的γ值越是接近0，则表示各个散热管内气流的质量流量差值越大，气体在中冷器散热管内部的分布越不均匀[10]。

2.4 中冷器流场分析

本研究对基准模型中冷器和10种复合混流式中冷器模型进行了仿真计算，10种复合混流式中冷器内部流场的速度分布云图见图4。

图4 复合混流式中冷器速度分布云图

2.5 数据分析结果

图5示出不同复合混流式中冷器的压降分布情况。从图5可以看出，模型1中冷器具有最高的压力降，基准模型中冷器具有最低的压力降，而模型4至模型10中冷器的压力降数值比较接近。

图5 复合混流式中冷器压降对比

图6示出均匀性系数对比情况。由图6可见，模型7具有最高的均匀性系数，基准模型的均匀性系数最低。

图6 复合混流式中冷器均匀性系数对比

根据对图5和图6的分析可知，模型7中冷器用较少的阻力值增加换来了较多的均匀性系数增加。相比基准模型中冷器，采用了复合式混流技术的模型7中冷器的平均质量流量偏差从36.35%降低到了9.87%，均匀性指数从81.82%提高到了95.06%，中冷器内部的流动均匀性得到了极大的提高。但是同时压降从3.849 kPa提高到了5.667 kPa，中冷器阻力增加了1.818 kPa。根据目前的分析，模型7具有最好的流动均匀性，所以选择模型7作为优化模型中冷器进行验证试验。