【正文】 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。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(zhǎng)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。管翅式換熱器的 CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在滿(mǎn)足用戶(hù)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。 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(wèn)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)。而且通過(guò)上述方法獲得的結(jié)果直觀(guān)、快捷。從上面所述不難看出, 如果完全通過(guò)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。 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。為保證中冷器性能穩(wěn)定, 就不得不進(jìn)行大量試驗(yàn)。而傳統(tǒng)的管翅式換熱器設(shè)計(jì)一般僅依靠簡(jiǎn)單的理論、長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)分析來(lái)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(zhǎng)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。相對(duì)而言，管翅式中冷器目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛。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(jiǎn)稱(chēng) CFD )軟件FLUENT,進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究?，F(xiàn)在國(guó)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。由于我國(guó)在發(fā)展車(chē)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)。我國(guó) 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)。自 1993 年西歐共同體解除了 PHOENICS 商業(yè)軟件對(duì)中國(guó)的禁運(yùn), 我國(guó)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(guó)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。國(guó)外在計(jì)算汽車(chē)外流場(chǎng)時(shí)，誤差已經(jīng)控制在 5%以下，但國(guó)內(nèi) CFD 技術(shù)只是在最近五六年內(nèi)才開(kāi)始普及，積累經(jīng)驗(yàn)還很少，還處于摸索階段。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。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。 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(wèn)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(kù)、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(cāng)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） 。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。 CFD 技術(shù)的分支經(jīng)過(guò)四、五十年的發(fā)展，CFD 技術(shù)出現(xiàn)了多種數(shù)值解法。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(guān)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。當(dāng)然，某些缺點(diǎn)或局限性可通過(guò)某種方式克服或彌補(bǔ)。首先，數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴(lài)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(kāi)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(guān)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(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)與技巧。再者，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X(qián)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(wú)法達(dá)到的理想條件。也正因?yàn)槿绱?，CFD 技術(shù)越來(lái)越得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的首肯。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。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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。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(jiǎn)稱(chēng)。 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。厚度為65mm。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。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。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。外面的 7 個(gè)螺栓孔是用于和增壓封頭接管連接的。其結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)中冷器的工作空間位置決定。導(dǎo)流片的長(zhǎng) 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 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。翅片長(zhǎng)為 670 mm 兩邊封條常為10mm，平板的長(zhǎng)為 690 mm，翅片寬與封條和為平板寬 65 mm。隔板厚度一般為 1—2mm，最薄的有。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(zhǎng) 670mm 厚度 6mm 寬度 5 mm。冷空氣封條長(zhǎng) 65mm 厚度 8mm 寬度 10mm。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。 （1）冷卻介質(zhì)的壓力損失 △p w=ρ w ( +)= ( +)=420 .?Pa 因?yàn)?420 Pa小于所選取參數(shù)規(guī)定的 3000 Pa，所以冷卻空氣側(cè)壓力損失符合要求 （2）增壓空氣的壓力損失△p b=ρ b ( +)= ( +)=680 Pa.? 因?yàn)?680 Pa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。(TbTS)= K 因?yàn)?321 K 小于原始參數(shù) 323 K,所以在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。[expNTUA b/( qmCp)min=36247。qmbCpb=1007=220；q mwCpw=1000=660所以 Ф=220247。（36）=11 ㎡ 因?yàn)?11㎡ ㎡,即所需散熱面積大于實(shí)際散熱面積，所以所設(shè)計(jì)的中冷器符合使用要求。(323303)]= (2) 所需散熱面積: Ac=Q/(Kln[(TbTw2)/(TsTw1)]=[(393326)(323303)]247。(65) 得 K=36 w/(m2K/W式中，δ 2為冷熱兩側(cè)間壁厚度；λ 為材料熱導(dǎo)率（此處材料為鋁合金）(6) 中冷器傳熱系數(shù) = +R1+R2+R3+R4+ =1247。λ)=()247。K/W第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 導(dǎo)熱熱阻 R4=AbK/W 冷卻空氣側(cè)污垢熱阻 R 2= ㎡=106 w/(m2106=105增壓空氣的努謝爾特?cái)?shù): Nub===增壓空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù):hb= Nub=22 m/s增壓空氣的雷諾數(shù): Re a=Cbk) (4) 計(jì)算增壓空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù) 增壓空氣通道當(dāng)量直徑:D eb=nλ w/Dew=247。ln[(TbTw2)/(TsTw1)]= ⑤冷卻效率： 78%??1wbT?(2) 平均溫度下冷卻空氣和增壓空氣的熱物理性質(zhì)如表 36：參數(shù) 密度 熱導(dǎo)率 λ 運(yùn)動(dòng)粘度 ν 普朗特殊 Pr 比定壓熱容ρ(㎏/m 3) （w/） （㎡/s） Cp(KJ/㎏.K) 冷卻空氣 102 106 增壓空氣 102 106 (3) 計(jì)算冷卻空氣測(cè)的對(duì)流換熱系數(shù) 冷卻空氣流速：C w=qmw/Fw=3/= m/s 冷卻空氣通道當(dāng)量直徑:D ew=(n+1)dew= m 冷卻空氣的雷諾數(shù):Re W= =247。x/(x+y) 冷氣側(cè)： A 1w= ㎡增壓空氣側(cè)：A 1b= ㎡ ③ n 層通道的第二傳熱面積 A2=AK) ⑩冷卻介質(zhì)比熱容 Cpa=1002 (J/kg這種型式的選擇，從長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則上滿(mǎn)足了車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)中冷器的結(jié)構(gòu)、尺寸、換熱效果和經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)要求，是各種方案中的最優(yōu)解。其合理性如下：(1) 空空中冷系統(tǒng)的排氣溫度較低，耗油率和煙度也均比水空氣中冷時(shí)要好得多；(2) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)且不需要消耗柴油機(jī)熱效率；(3) 管翅式中冷器易于滿(mǎn)足車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)安裝空間的需要；(4) 波紋翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱阻邊界十分有效。鋁由于有良好的物理機(jī)械性能和耐腐性，價(jià)格便宜，來(lái)源第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 充足，作為銅的替代材料是適合的，因此在中冷器上得到了廣泛的應(yīng)用。管翅式中冷器大多數(shù)采用銅或鋁合金制造。多數(shù)中冷器采用鋸齒型翅片。其中光直翅片的傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)都比較小，只用在阻力要求特別嚴(yán)格的情況下；鋸齒翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，破壞熱阻邊界十分有效。目前管翅式中冷器已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。由于采用成型管材，簡(jiǎn)化了工藝，避免了翅片和隔板之間的虛焊及工作振動(dòng)中的脫焊所造成的接觸熱阻，提高了傳熱效率和工作可靠性。但管翅式的結(jié)構(gòu)是在板翅式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其熱氣側(cè)通道是多孔的成型管材。二者比較，板翅式中冷器的緊湊型好，即在相同的體積條件下氣散熱面積大，但其阻力損失要比管翅式中冷器大些。而空空中冷器作為一種熱交換器，其結(jié)構(gòu)形式很多。但是空空中冷器的體積、阻力損失和成本都要稍高些。而后者正相反，由于可利用溫度較低的冷卻水，故增壓空氣的冷卻效果好，但需要設(shè)置獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，故它只能使用于固定式或船用發(fā)動(dòng)機(jī)。前者的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)一般只能采用這種系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外消耗風(fēng)扇功率且冷卻空氣流量的增加與發(fā)動(dòng)機(jī)流量相適應(yīng)，但卻增加了匹配的復(fù)雜程度。用輪緣空氣渦輪風(fēng)扇冷卻的空空中冷器與前一種的區(qū)別在于從渦輪增壓器壓氣機(jī)一端引出一部分壓縮空氣流經(jīng)輪緣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇以冷卻空空中冷器。但由于空氣的傳熱系數(shù)比水低得多，空空中冷器的體積要比水空冷卻器大些。具體數(shù)據(jù)參看下表 33表 33 發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境參數(shù) 環(huán)境參數(shù) 結(jié)果及單位 大氣壓力 P = a 大氣溫度 T =303K 渦輪后背壓 P = 中冷后空氣溫度 T =323K s一般有中冷高速四沖程柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)溫度為（4060℃） 氣缸充氣系數(shù) = 增壓高速四沖程柴油機(jī) （） c? ≈ 高速車(chē)用柴油機(jī)一般約 云內(nèi) 4102QBZL 中冷器的選型對(duì)于中冷器，若采用空空中冷系統(tǒng)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的型式可用于難于得到第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 溫度較低的冷卻水的場(chǎng)合。表 32 通過(guò)