CFD技术在中冷器气室结构优化上的应用

吴兆亮　侯海焱　王剑

摘 要：以空冷式中冷器为研究对象，针对中冷器气室的内腔和内部加强筋做参数几何建模，运用CFD技术对几何模型进行内部流场的三维仿真模拟，计算中冷器内部的流动阻力损失和中冷器芯体里每一根扁管的流量，进而得到了整个中冷器的压力损失和流动平衡性。研究结果表明：中冷器气室内部加强筋无论如何布置都会对流体的流动起到阻碍作用，进而提高流动阻力;沿流动方向平行布置加强筋对内部压降最好;加强筋的角度会影响内部流动平衡性。中冷器气室的内腔大小会直接影响内部压降，内腔越小会导致气体流速越高，气室内部的压力损失越大;但是局部内腔的减小可以提高气体流速，对于某些中冷器设计来说提高流速可以改善芯体的流动均匀性。

关键词：中冷器 CFD FLUENT 压力损失 流动均匀性

1 引言

涡轮增压技术这些年已经在很多车型上得到广泛应用并已成为发动机关键技术之一。当空气进入涡轮增压后其温度会大幅升高，密度会相应降低。中冷器正是起到了冷却空气的作用，高温增压空气经过中冷器的冷却，再进入发动机中。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机，则会因空气温度过高而导致发动机损毁。如图1是常见的带涡轮增压的中冷器工作原理图。

目前影响中冷器系统表现除了换热性能以外还有压力损失和流动均匀性两大指标;增压空气流过中冷器会产生压力损失，这会抵消一部分增压作用，同时带来涡轮迟滞效应。中冷器内部流量分布均匀性差会导致中冷器芯体出现局部高流速低温区和局部低流速高温区，热应力更加集中，冷却能力也难以发挥，同时影响了中冷器的换热能力和使用寿命。所以中冷器气室的结构设计是否合理直接决定了中冷器的气室压力损失和内部气流分配的均匀性。

我们通过借助计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）的技术，对中冷器进行仿真模拟，得到大量的流动压力数据和气体流量分布数据，通过模拟数据的分析对方案进行优化调整，减少了样件制作和台架试验的员工工作量和费用支出。

2 中冷器数值模拟与分析

2.1 CFD仿真简介

CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体力学，它主要就是借助流体控制方程对物理现象进行分析。我们选择FLUENT作为模拟分析工具，如图2为典型的CFD分析工作流程。

CFD的仿真过程主要由前处理、求解器、后处理构成。前处理就是根据实际问题进行几何建模的过程，同时也需要对模型进行离散化处理。求解器的作用是设置相关的边界条件并对相关问题进行模拟。后处理主要是对模拟结果的分析过程，通过该过程可以很容易地得到相关模型的场分布及相关参数，以便于可视化研究。

2.2 数值计算模型

2.2.1 几何模型与网格划分

本文的研究对象为空冷式中冷器，其内腔模型如图三所示。从模型来看，中冷器内腔分为三个部分，分别是进口气室，扁管芯体和出口气室。由于中冷器实际产品装配结构复杂，抽出的内腔模型存在大量的薄片体，而这些薄片体在生网格的过程中可能会产生负体积网格，最终会导致计算难以收敛。所以我们在实际操作中会对模型进行简化，删除这些薄片体。因为要研究内部加强筋和内腔的设计对压力损失和流量分布的影响，所以我们做了4版不同参数组合的模型用于仿真研究。（左上为模型1，右上为模型2，左下为模型3，右下为模型4）

本文选用较普遍使用的非结构化蜂窝状多面体网格，并对不同区域的网格做不同的设置操作。对于主要研究的气室内腔采用加密网格，而对于多孔介质设置的扁管采用拉伸网格，最终的网格如图4所示。选用非结构化蜂窝状多面体网格因为它的生成速度快，计算机工作负荷相对较小，而且最终网格与实际模型更加贴切，结果更准确。

2.2.2 数学模型

我们的模拟过程中假定空气是不可压缩的，湍流模型为RANS算法中的realizable k-E湍流模型，满足连续性方程、动量方程和能量方程。在差分格式中，压力项采用标准格式，速度项、湍动能项和湍流粘性系数项均采用二阶迎风格式，压力与速度之间的耦合算法为SIMPLE。数学模型基于以下简化和假设：1）工作流体为牛顿流体 2）流体处于稳定流动状态 3）忽略重力作用。

在设置边界条件时，入口采用质量流量入口条件，出口采用压力出口条件，介质增压空气的物性参数设置为160度下空气的密度和粘度，气室边界设置为无滑移速度边界条件;在入口/出口边界条件设置中，还需要设置湍流强度和水力直径，也即当量直径。

在对计算域的流场进行初始化操作后，即可进行迭代计算。计算过程如下图5所示。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 压降和流场云图分析

中冷器的CFD模拟结果如表一所示。通过结果可以看出模型1和模型2的压力损失要比模型3和模型4小，而模型1和模型2的压力损失基本在同一水平;模型3和模型4的压力损失基本在同一水平。针对中冷器气室内部加强筋做长度和角度的微调，对于最终的压降结果没有明显影响。而对于中冷器气室内腔容积做调整，对于最终的压降结果影响较大。

通过对中冷器模型的速度云图切面进行分析可以看到，在图7中模型1和模型2的速度强度明显低于模型3和模型4中的气流速度强度;在中冷器进口空气流量一定的情况下，中冷器的内腔容积越大，则相对的气体流速越小。因为流速=流量/截面积，更大的内腔容积带来更小的气体流速;而换热器阻力损失与速度的平方呈正比关系，所以气体流速越小换热器的压降越小。

2.3.2 芯体流动均匀性分析

对于中冷器的流动均匀性分析，我们采用均匀度指数Uniformity Index来评价。该评价指标是Weltens等建立的一种流场速度均匀性评价标准，基于统计偏差定义，能够反映流通截面的流體速度分布特性。Uniformity Index的数值在0～1之间，Index=0表示流体仅从一个测点通过;Index=1表示最理想的流动情况，即截面的速度完全均匀分布。Uniformity Index的计算公式如下：

r=1-

公式中，Γ=速度均匀性系数;

n=入口截面面单元个数;

Vmean=入口截面面平均速度;

Vlocal=入口截面各面单元平均速度;

在本文的研究中可以将均匀度指数公式简化，数值上把原公式的平方开根号计算转换为取绝对值，结果保持不变。最终计算公式如下：

Uniformity Index=1-

在模拟中冷器的多孔介质内部流动时，速度方向均沿多孔介质的厚度方向，流动设定为层流，在设定增压空气流量下的流动分布模拟结果如下图8所示。

通过流量分布的偏差分析可以看出，由于进出口位置都在中冷器下方的缘故，流量在最后几根扁管处最大，逐渐向上呈递减的趋势。其中流量在第25根扁管附件有一个低谷的主要原因是进口气室处的加强筋对流动起了一个阻碍作用导致加强筋附近的流量异常波动。对比均匀性指数数值如下表2所示。

由结果可知，四版模型中冷器芯体扁管的流量均匀性指数都在0.937左右，除了模型4的均匀度略差;在基本进出口管位置锁定的情况下，略微调整加强筋位置和内腔，对流动均匀性的影响较小，基本可忽略不计。

3 试验与模拟的校核

3.1 台架试验

我们做了中冷器带换热情况下的台架性能试验，试验工况和试验结果入下表3所示。

3.2 CFD数值模拟

3.2.1 定温CFD模拟

考虑到CFD模拟中，我们的计算模型是中冷器的内流道，主要输入参数为增压空气的物性（密度和粘度），模型内流道的大小和网格尺寸的大小基本决定了计算资源的消耗。其中本次研究设定的中冷器入口温度为160度，对应的密度和粘度如下表4所示。

定温模型的中冷器内阻模拟结果如下表5所示。

3.2.2 非定温CFD模拟

考虑到台架试验过程中，中冷器的芯体有冷却风冷却，内部温度是非定温的，我们增加了非定温的CFD研究。在CFD计算中对应每个零件部分划分不同的温度输入，设定的中冷器进口气室的温度为160度，出口气室的温度为45度（通过性能模拟一维软件可得），芯体的平均温度为70度（通过一维软件可以计算芯体多点的平均温度）。由此得到的密度和粘度如下表6所示。

非定温模型的中冷器内阻模拟结果如下表7所示。

3.3 CFD和台架测试对比

对比两种CFD方法和试验数据，得到结果如下图9所示。

通过定温和非定温CFD模拟与试验数据的对比可得，定温方案下忽略了中冷器换热带来的温度影响，内阻模拟结果和试验结果差距在20%-30%左右。非定温方案通过密度和粘度的改变考虑到了换热带来的温度影响，内阻模拟结果和试验结果差距在5%-10%左右。虽然非定温方案的结果模拟和试验数据更为贴近，但是如果仅仅是前期方案对比，我们认为完全可以通过定温方案做CFD流场分析来判断方案趋势和优劣。

4 结论

本章通过应用FLUENT软件对中冷器内流场进行CFD数值模拟分析，获得了中冷器应用工况下的压力场，速度场和中冷器扁管的流量分布情况，为进一步分析优化中冷器气室设计提供了参考依据。

（1）降低中冷器流动阻力可以通过增大中冷器气室内腔容积达到，中冷器气室内腔容积越大，气室内增压空气的速度强度越低，内部阻力损失越小。

（2）改变中冷器内部加强筋的位置会对中冷器扁管的流量分布产生影响，可以通过CFD流量分布均匀度分析得到最佳的加强筋布置角度。

（3）通过CFD定温和非定温模拟方案与实测结果的对比，得到了模拟与试验的差值，为今后的工作提供了很好的数据参考基础。

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