【正文】 a小于所選取參數(shù)規(guī)定的 3000 Pa，所以增壓空氣側(cè)壓力損失符合要求。 中冷器外部結(jié)構(gòu)確定 冷空氣和增壓空氣封條冷空氣與增壓空氣封條上是為了分割，密封流道。截面形狀采用燕尾形，封條上下面向兩側(cè)有 的斜度，為了與平板組成板束時(shí)，形成楔形縫隙，便于釬焊焊料的滲入。其尺寸分別有冷空氣翅片與增壓空氣翅片決定。冷空氣封條長 65mm 厚度 8mm 寬度 10mm。如圖 32 所示。第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 圖 32 冷空氣封條尺寸增壓空氣封條長 670mm 厚度 6mm 寬度 5 mm。如圖 33 所示圖 33 增壓空氣封條尺寸 平板平板的作用在于分割并形成流道同時(shí)承受壓力隔板尚有一次傳熱作用，故其厚度應(yīng)在滿足條件下盡可能的減薄。隔板厚度一般為 1—2mm，最薄的有。其長度與寬度尺寸有翅片和封條決定。翅片長為 670 mm 兩邊封條常為10mm，平板的長為 690 mm，翅片寬與封條和為平板寬 65 mm。如圖 34 所示。 圖 34 平板尺寸 導(dǎo)流片導(dǎo)流片的作用是引導(dǎo)進(jìn)口流經(jīng)板束的流體使之均勻的分布于流道之中。其結(jié)構(gòu)尺寸由中冷器芯子及封頭決定。導(dǎo)流片的長 416 mm，寬 65 mm；導(dǎo)流片的高即封頭內(nèi)深 15mm；增壓空氣流道 （增壓流道 與平板厚之和決定） ，為了使增壓空氣最大可能流入流道；冷空氣封條上層設(shè)置為直徑 的半圓第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 24 （即增壓空氣封條厚度）如圖 35 所示。圖 35 導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)尺寸 增壓空氣封頭增壓空氣封頭的作用是為了把增壓空氣引導(dǎo)或匯集。其結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)中冷器的工作空間位置決定?？臻g位置決定中冷器封頭不能太高為了能安放到汽車?yán)镞@里選擇其高度為 105 mm,內(nèi)部長寬由中冷器芯子決定 65 mm,416 mm。外面的 7 個(gè)螺栓孔是用于和增壓封頭接管連接的。如圖 36 所示。圖 36 增壓空氣封頭 增壓空氣封頭接管增壓空封頭接管時(shí)連接和密封增壓空氣封頭與中冷器芯子的中介，其結(jié)構(gòu)尺寸有中冷器芯子，封頭及空間位置決定。接管的內(nèi)部尺寸由芯子決定其長寬分別為 65 mm，416 mm,內(nèi)部凸臺(tái)是為了便于連接和密封。側(cè)面的兩個(gè)直徑為6mm 的螺栓孔是為了緊固及調(diào)整裝配間隙。第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 φ?qǐng)D 37 增壓空氣封頭接管 中冷器芯體圖中冷器芯子是有翅片，平板，封條，釬焊而成。芯子是由 29 個(gè)冷空氣翅片，28 個(gè)增壓空氣翅片及 58 個(gè)平板釬焊而成。其長為 690mm,寬為 416mm。厚度為65mm。如圖 38 所示。 圖 38 芯體圖 中冷器連接 芯體，芯體兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)氣室和出氣室，進(jìn)氣室上設(shè)有進(jìn)氣口，出氣室上設(shè)有出氣口；進(jìn)氣室上側(cè)和下側(cè)以及出氣室上下側(cè)各焊有一個(gè)支架，支架上設(shè)有螺栓孔。支架將中冷器總成固定于發(fā)動(dòng)機(jī)上，支架與散熱器通過螺栓、彈簧墊圈連接固定，然后用兩個(gè)卡箍把進(jìn)氣口和出氣口連接到連接膠管上以實(shí)現(xiàn)可靠連接。第四章 CFD 技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用 26 第四章 CFD 技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的簡稱。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡單地說，CFD 技術(shù)相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，用以模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況。而其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)情況。因此我們可以認(rèn)為 CFD 技術(shù)是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。 CFD 技術(shù)介紹 CFD 技術(shù)的特點(diǎn)CFD 技術(shù)的特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣泛。也正因?yàn)槿绱?，CFD 技術(shù)越來越得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的首肯。首先，流動(dòng)問題的控制方程，一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求得解析解，而用 CFD 方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解；其次，可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)，例如，選擇不同流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行物理方程中各項(xiàng)有效性和敏感性試驗(yàn)，從而進(jìn)行方案比較。再者，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X省時(shí)，有較多的靈活性，能給出十分詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。但是 CFD 技術(shù)也存在一定的局限性。首先，數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的計(jì)算誤差；其次，它不像物理模型實(shí)驗(yàn)一開始就能給出流動(dòng)現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測(cè)或物理模型試驗(yàn)提供某些流動(dòng)參數(shù)，并需要對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行必要的驗(yàn)證；再次，程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)與技巧。此外，因數(shù)值處理方法等原因有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不真實(shí)，例如產(chǎn)生數(shù)值粘性和頻散等偽物理效應(yīng)。當(dāng)然，某些缺點(diǎn)或局限性可通過某種方式克服或彌補(bǔ)。此外，CFD 技術(shù)因涉及大量的數(shù)值計(jì)算，因此，常常需要較高的計(jì)算機(jī)軟、硬件配置的支持。CFD 技術(shù)有其自身的原理、方法和特點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算、理論分析與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)第四章 CFD 技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用 27 相互聯(lián)系、相互促進(jìn)，但不能完全的相互替代，三者各有各的適用場(chǎng)合。在實(shí)際工作中，我們需要注意三者的有機(jī)結(jié)合，爭取做到取長補(bǔ)短。 CFD 技術(shù)的分支經(jīng)過四、五十年的發(fā)展，CFD 技術(shù)出現(xiàn)了多種數(shù)值解法。這些方法之間的區(qū)別在于對(duì)控制方程的離散方式。根據(jù)離散的原理不同，CFD 技術(shù)大體上可分為三個(gè)分支： 有限差分法（Finite Difference Method, FDM) 有限元法（Finite Element Method, FEM) 有限體積法（Finite Volume Method, FVM) CFD 技術(shù)的應(yīng)用 CFD 軟件的結(jié)構(gòu)CFD 商用軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三個(gè)部分組成。 如下圖所示，前處理、求解器及后處理三大模塊, 各有其獨(dú)特的作用, 分別表示如下:前處理→求解器→后處理前處理包括：幾何模型、劃分網(wǎng)格；求解器包括：確定 CFD 方法的控制方程、選擇離散方式進(jìn)行離散、選用計(jì)算方法、輸入相關(guān)參數(shù)；后處理包括：速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、以及其他參數(shù)的計(jì)算機(jī)可視化及后處理。 CFD 的應(yīng)用范圍CFD 能夠分析與研究在各種復(fù)雜幾何形狀的空間（裝置）內(nèi)、外發(fā)生的下列工程問題： 流體流動(dòng)； 高溫傳熱（導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射換熱、流固偶合傳熱） ； 氣－固、液－固、氣－液、液－液等多相流（如均化庫、增濕塔、氣力輸送等） ； 非牛頓流體流動(dòng)（流變、如粉體、混凝土、膏狀物等） ；第四章 CFD 技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用 28 多孔介質(zhì)流； 化工反應(yīng)流； 煤粉燃燒、氣態(tài)燃料燃燒、油霧燃燒、多種燃料混合及多氧化流燃燒（如燃燒器、分解爐、烘干爐等） ； 爆炸、爆燃和著火（如煤粉倉的爆炸與防治） ； 環(huán)保（氣體、水污染的擴(kuò)散與防治、脫硫、NOx 等） 。 CFD 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，CFD 即計(jì)算流體力學(xué)在研究和應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展。而對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，它的進(jìn)氣、排氣、冷卻風(fēng)扇、氣缸、中冷器、渦輪增壓器和油泵等所有和流場(chǎng)、換熱密切相關(guān)的零部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響都十分巨大。與試驗(yàn)研究相比，CFD 技術(shù)開發(fā)時(shí)間短，所用的經(jīng)費(fèi)少，可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，對(duì)研究對(duì)象的外流特性、內(nèi)流特性，對(duì)整體、局部描述都十分清晰。它能使設(shè)計(jì)人員對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)和流動(dòng)機(jī)理有更為深刻的認(rèn)識(shí)，得到一些試驗(yàn)手段所得不到的理解和結(jié)論，因此盡管試驗(yàn)的可信度高，但由于試驗(yàn)測(cè)試手段的局限，且計(jì)算機(jī)模擬不受外界干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)的存在，CFD 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)階段被普遍采用。近年來，一些新的湍流模型和燃燒模型的提出使 CFD 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入，而網(wǎng)格技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件水平的快速提升使網(wǎng)格數(shù)目可以劃分的更多，使計(jì)算精度也在不斷提高。國外在計(jì)算汽車外流場(chǎng)時(shí)，誤差已經(jīng)控制在 5%以下，但國內(nèi) CFD 技術(shù)只是在最近五六年內(nèi)才開始普及，積累經(jīng)驗(yàn)還很少，還處于摸索階段。 CFD 技術(shù)在換熱器方面的應(yīng)用隨著 CFD 技術(shù)越來越被人們認(rèn)可和接受， CFD 技術(shù)在換熱器的設(shè)計(jì)研究方面也取得很大的應(yīng)用和成果，為換熱器領(lǐng)域的研究提供了一條便捷、高效的研究方法。自 1993 年西歐共同體解除了 PHOENICS 商業(yè)軟件對(duì)中國的禁運(yùn), 我國各高校及研究所陸續(xù)引進(jìn)各種 CFD 商業(yè)軟件并且對(duì) CFD 技術(shù)在換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究已取得了很大的進(jìn)步, 其中西安交通大學(xué)制冷系率先從國外引進(jìn) CFD 商業(yè)軟件并且結(jié)合數(shù)值計(jì)算理論知識(shí)對(duì)軟件加以完善。經(jīng)過多年不斷努第四章 CFD 技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用 29 力, 已成功的將 CFD 技術(shù)應(yīng)用到換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、渦輪葉片設(shè)計(jì)、制冷低溫等多方面領(lǐng)域, 但是由于起步晚的原因, 我國 CFD 技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距。我國 CFD 技術(shù)在換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究方面還有大量工作要做, 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 繼續(xù)加強(qiáng)前處理幾何模型建立的功能 繼續(xù)加強(qiáng)復(fù)雜形面網(wǎng)格劃分的技術(shù) 繼續(xù)加強(qiáng)數(shù)值求解理論算法的改進(jìn) 繼續(xù)加強(qiáng)計(jì)算結(jié)果可視化技術(shù) 繼續(xù)加強(qiáng) CFD 軟件在解決換熱器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)與換熱的功能第五章 柴油機(jī)中冷器的 CFD 模擬優(yōu)化 30 第五章 柴油機(jī)中冷器的 CFD 模擬優(yōu)化增壓中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保具有重要的貢獻(xiàn)。因此在車用柴油機(jī)上得到了普遍應(yīng)用。由于我國在發(fā)展車用柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)方面的工作起步較晚，對(duì)中冷器的設(shè)計(jì)尚未形成一套完整的理論，有關(guān)中冷器性能的評(píng)價(jià)方法也未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在相關(guān)中冷器產(chǎn)品開發(fā)過程中，往往需要在整機(jī)上進(jìn)行大量的匹配試驗(yàn)，造成開發(fā)周期和費(fèi)用的增加，不能滿足增壓中冷應(yīng)用的需要。現(xiàn)在國際上流行的設(shè)計(jì)、研究方法大多是先采用計(jì)算機(jī)模擬、設(shè)計(jì)，然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式。這樣既可以大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)周期，又可以降低開發(fā)成本。本論文增壓柴油機(jī)的中冷器的設(shè)計(jì)研究采用通用的商用CFD(Computational Fluid Dynamics, 即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué), 簡稱 CFD )軟件FLUENT,進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)開發(fā)研究。 CFD 技術(shù)在管翅式換熱器設(shè)計(jì)開發(fā)方面的優(yōu)越性 [11]車用中冷器由于各種條件的約束，主要有管翅式和板翅式兩種類型。相對(duì)而言，管翅式中冷器目前應(yīng)用越來越廣泛。管翅式換熱器是一種高效、緊湊式換熱器, 隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展, 其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展 , 目前廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨、船舶和車輛等工業(yè)領(lǐng)域, 其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、便于多股流布置、小溫差和大溫降換熱。而傳統(tǒng)的管翅式換熱器設(shè)計(jì)一般僅依靠簡單的理論、長期積累的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)分析來確定管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式, 但是這需要大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)以及很長的實(shí)驗(yàn)周期, 而且這樣得到的結(jié)構(gòu)形式并不能確保為最佳的方案,為此需要探索更加有效、便捷的設(shè)計(jì)研究方法。我們從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖中可以看到在傳統(tǒng)的管翅式換熱器設(shè)計(jì)過程中,對(duì)中冷器的設(shè)計(jì)可行與否往往取決于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為保證中冷器性能穩(wěn)定, 就不得不進(jìn)行大量試驗(yàn)。 而且產(chǎn)品方案的篩選和優(yōu)化是在設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試部門之間進(jìn)行大循環(huán), 由于牽涉的環(huán)節(jié)多, 產(chǎn)品的開發(fā)周期長、費(fèi)用高 。 而對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言,往往又需要進(jìn)行對(duì)方案選擇、優(yōu)化。 但是由于管翅式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律是十分復(fù)雜的, 僅靠實(shí)驗(yàn)測(cè)試并不能最終達(dá)到開發(fā)新產(chǎn)品和精確設(shè)第五章 柴油機(jī)中冷器的 CFD 模擬優(yōu)化 31 計(jì)的目的。從上面所述不難看出, 如果完全通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究不能很好的達(dá)到管翅式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。因此, 近年來國內(nèi)、外重點(diǎn)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)制造方法學(xué)的研究, 提出通過 “數(shù)值試驗(yàn) ”——計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 模擬計(jì)算, 來評(píng)價(jià)、選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案, 從而大幅度地減少實(shí)驗(yàn)室和實(shí)體試驗(yàn)研究的工作量, 節(jié)省了實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。而且通過上述方法獲得的結(jié)果直觀、快捷。中冷器的設(shè)計(jì)方案可以僅通過 CFD 計(jì)算結(jié)果就可以進(jìn)行評(píng)估,并且由于 CFD 軟件可以比較快捷、準(zhǔn)確及直觀的反映出流體在中熱器中流動(dòng)的過程及物理本質(zhì), 如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)的分布。 因此很容易從對(duì)流場(chǎng)的分析中發(fā)現(xiàn)樣品設(shè)計(jì)中存在的種種問題,及時(shí)反饋并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的改進(jìn), 從而避免了浪費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。而實(shí)驗(yàn)測(cè)量僅起到驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的目的, 與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比可以大大減少設(shè)計(jì)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。管翅式換熱器的 CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在滿足用戶性能要求的前提下, 具有最小的投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。對(duì)中冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括翅型選擇、流通布置、流體均布、溫度場(chǎng)分布和縱向熱傳導(dǎo)的考慮等等。在設(shè)計(jì)中, 以局部熱平衡偏差、允許阻力值、流道計(jì)算長度偏差為主要控制指標(biāo), 進(jìn)行流通排列分配, 使設(shè)計(jì)更趨合理, 對(duì)流體間溫差小、溫降大的中冷器設(shè)計(jì)更為重要。 管翅式中冷器的 CFD 設(shè)計(jì)利用 Fluent 模擬計(jì)算中冷器，涉及到中冷器中流體的流動(dòng)和傳熱。涉及計(jì)算的一般步驟是：幾何建模、劃分網(wǎng)格、邊界設(shè)定、物理模型選擇、計(jì)算和后處理。 中冷器的建模利用 FLUENT 軟件自帶的建模軟件 Gambit