柴油機(jī)增壓中冷器數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)機(jī)械制造專業(yè)

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1、 題目 柴油機(jī)增壓中冷器數(shù)值模擬與設(shè)計(jì) 摘要 在講述，中冷器類型、結(jié)構(gòu)中，介紹了高效換熱器、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)原理對東風(fēng)朝柴CY4100ZLQ增壓發(fā)動(dòng)機(jī)估算出增壓后溫度、空氣質(zhì)量流量及增壓比，計(jì)算出了增壓空氣在中冷器處的進(jìn)口流量及進(jìn)口溫度。然后再根據(jù)風(fēng)扇所產(chǎn)生的冷空氣流量，環(huán)境溫度及中冷器出口溫度，計(jì)算出中冷器需要散失的熱量，再去確定中冷器的傳熱系數(shù)，同時(shí)對壓力損失、增壓溫度、散熱面積進(jìn)行校核。用軟件繪制出設(shè)計(jì)的中冷器零件圖，利用CFD商業(yè)軟件Fluent中的前置處理器Gambit對該中冷器網(wǎng)格劃分、邊界條件定義，再導(dǎo)入Fluent進(jìn)行邊界條件設(shè)定、模擬計(jì)算和結(jié)果分析，最后

2、確定中冷器優(yōu)化的方向及優(yōu)化措施。 關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；柴油機(jī)；冷器數(shù)值模擬；設(shè)計(jì) II ABSTRACT ThearticleintroducesthestructuretheoryofHighEfficiency HeatandPlate-finHeatExchangebyelaboratingthetypesandstructuresoftheInt.Simultaneously,itestimatesthetemperatureofDon9ChaochaiY4100ZLQturboengine

3、aftpressurization,airmassflowrateandpressureratioandcalculatestheinletflowandinlettemperaturethroughthepressurizedairintheInter.Then,accordingtotheairflowgeneratedbythefan,theenvironmenttemperatureandtheoutlettemperatureoftheInt,itcalculatesthedissipatingheatoftheIntandthendeterminestheheattransferc

4、oefficientoftheInterThethirdistocheckthelossofthehydraulicpressure,boostedtemperatureandtheareaofheatdissipation.Thefourthpartistodrawthemapofthedesignedpartsofthebysoftware,usingthefrontprocessorGambitofFluent,oneoftheCFDcommercialsoftware,meshestheIntanddefinestheboundaryconditions,andthensetstheb

5、oundaryconditionsbyinputintotheFluentsoftware,simulationcalculationandresultanalysis.Finally,itdeterminestheoptimizationdirectionandmeasuresoftheInter. Keywords:CFDtechnology;Dieselengine;Coolernumericalsimulation;design IV 目 錄 誠信聲明…………………………………

6、…...………….............………………………....Ⅰ 摘要…………………………………….....................................................................Ⅱ Abstract…………………………………………………………….................……..………Ⅲ 第一章 前言……..........................................................................................................

7、......2 第2章 柴油機(jī)中冷器簡介............................................................................................3 2.1 柴油機(jī)中冷器的類型和結(jié)構(gòu)............................................................................................4 2.2 柴油機(jī)中冷器的類型...........................................................

8、.............................................5 2.3 柴油機(jī)中冷器的結(jié)構(gòu)........................................................................................................6 第三章 中冷器的計(jì)算........................................................................................................7 3.1中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)及使用工況

9、.............................................................................................8 3.2 中冷器參數(shù)計(jì)算................................................................................................................9 3.2.1中冷胎冷側(cè)散熱面積F的計(jì)算........................................................

10、....................10 3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)要求的熱側(cè)空氣流....................................................................................11 3.2.3中冷器的迎風(fēng)面積................................................................................................12 第四章 柴油機(jī)中冷器的CFD模擬優(yōu)化................................

11、....................................13 4.1 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......................................................14 4.2管翅式中冷器的 CFD 設(shè)計(jì)............................................................................................15 4.2.1 中冷器的建模...............................................

12、.....................................................16 4.2.2 網(wǎng)格劃分.............................................................................................................17 4.3 結(jié)果分析..........................................................................................................

13、.......18 結(jié)論.........................................................................................................................................19 參考文獻(xiàn)................................................................................................................................20 致謝........

14、.................................................................................................................................21 附錄A......................................................................................................................................22 2 第一章 前 言

15、 隨著汽車節(jié)能環(huán)保政策法規(guī)的深入推行，發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃燒與尾氣凈化技術(shù)不斷進(jìn)步，其中增壓中冷技術(shù)逐漸成為業(yè)界的熱點(diǎn)． 社會(huì)在發(fā)展，汽車等行業(yè)也在飛速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的社會(huì)保有量也在不斷增加，其排放威脅人類身體健康越來越受到人們的關(guān)注。在人口十分密集的城市，汽車排放對人類將帶來很大危害。世界各國相繼推出日益嚴(yán)格的的排放法規(guī)來控制汽車尾氣對大氣環(huán)境的污染，特別哥本哈根會(huì)議之后，對汽車排放要求更加嚴(yán)格。為了滿足最新的排放法規(guī)要求，是發(fā)動(dòng)機(jī)能夠降低排放污染物，人們提出了多種方案。而其中渦輪增壓器加器（即增壓中冷系統(tǒng)）的方案一方面可以進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)氣體的密度,提高內(nèi)燃機(jī)的功率輸出;另一方面還可以降

16、低內(nèi)燃機(jī)壓縮始點(diǎn)的溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度,從而降低內(nèi)燃機(jī)的排氣溫度、熱負(fù)荷以及NOx的排放，如圖1-1。 圖1-1 渦輪增壓中冷系統(tǒng) 對增壓柴油機(jī)高進(jìn)氣增壓壓力總是需要冷卻,由于助推器的作用是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度,從而增加了燃油噴射為了提高平均有效壓力。但隨著壓力的增加比率,壓縮機(jī)出口空氣溫度較高,因此在某種程度上,限制了氣體密度的增加。最后這么冷,溫度對柴油機(jī)的燃燒過程和排放性能產(chǎn)生重大影響。進(jìn)口也可以是恒定位移柴油機(jī),質(zhì)量不增加的情況下增加輸出功率,通過合理匹配設(shè)計(jì)的目的,還能有效改善內(nèi)燃機(jī)的排放性能。隨著壓強(qiáng)的增加,入口溫度的顯著增長阻礙了進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)的性能。 實(shí)驗(yàn)結(jié)

17、果表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10攝氏度，它的密度約增大3%，當(dāng)空氣燃燒消耗率都保持不變時(shí)，柴油機(jī)輸出功率可以提高3%～5%。不僅如此，柴油機(jī)效率也隨著增壓空氣溫度下降而上升，同時(shí)還能降低排放中的污染物，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。因此，增壓柴油機(jī)中通常采用中間冷卻技術(shù)(以下簡稱中冷技術(shù))。它不但可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，而且還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和排氣溫度，用以達(dá)到降低增壓柴油機(jī)排放降低的目的。 綜合來看，使用中冷器的必要性如下。 （1）增加功率； （2）減少燃油消耗； （3）減少熱負(fù)荷； （4）減少粉塵； （5）減少NOx的排放；

18、 （6）國家法律要求； （7）減少爆震（用于點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)） 因?yàn)樵鰤褐欣湎到y(tǒng)的應(yīng)用,特別是在汽車柴油機(jī)領(lǐng)域的使用越來越多的輕型汽車。因此,中冷器,壓縮空氣進(jìn)入氣缸冷卻裝置之前,是渦輪增壓柴油機(jī)正常運(yùn)行不可或缺的一部分。了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),冷卻效率的研究及其研究方法成為一個(gè)非常重要的話題。中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管道設(shè)計(jì)原則: （1）要減少方向的改變中，冷系統(tǒng)管路布置要簡潔。 （2）管路應(yīng)設(shè)固定裝置。 （3）不能使用橡膠彎頭來改變方向，因?yàn)樗鼤?huì)被高壓進(jìn)氣吹脫落。 柴油機(jī)中冷器的設(shè)計(jì)要求主要是： （1）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊 （2）工作可靠、成本低

19、 （3）提高中冷器的換熱能力； （4）減少中冷器的流動(dòng)阻力，以減少中冷器的動(dòng)力損失。 第二章 柴油機(jī)中冷器簡介 柴油機(jī)中冷器本質(zhì)上是熱交換器的一種。它能提高增壓柴油機(jī)的新鮮空氣密度。對壓縮空氣進(jìn)行冷卻。它是增壓柴油機(jī)不可缺少的部分，提高柴油機(jī)的功率，增大柴油機(jī)的進(jìn)氣量，降低污染物的排放。在實(shí)際應(yīng)用中，其類型和結(jié)構(gòu)差別很大。 2.1.柴油機(jī)中冷器的類型和結(jié)構(gòu) 2.1.1.柴油機(jī)中冷器的類型 中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備類型有很多分類,臺渦輪增壓中冷柴油機(jī)是目前使用最多錯(cuò)流在寒冷的室外壁冷卻方式。根據(jù)冷卻介質(zhì)是不同的,我們有一個(gè)水冷和風(fēng)冷中冷機(jī)兩大類

20、: 1.水冷式冷機(jī)是用冷卻水冷卻熱壓縮空氣、冷卻水冷卻冷機(jī)的冷卻水系統(tǒng)根據(jù)不同的方式我們可以分為兩種; （1）柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻水冷卻增壓柴油機(jī)在這個(gè)不需要設(shè)置水冷模式,結(jié)構(gòu)簡單。柴油機(jī)冷卻水溫度較高,在低負(fù)載的壓縮空氣加熱,提高低負(fù)荷的燃燒性能;但在高負(fù)載的壓縮空氣冷卻效果較差。因此,這種方法只能用于c渦輪增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。 （2）兩套獨(dú)立的冷卻水冷卻中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有兩套獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng),高溫冷卻水系統(tǒng)用于冷卻機(jī)、低溫冷卻水系統(tǒng)主要用于冷卻設(shè)備和中冷油冷卻器。這種冷卻方式最好的冷卻效果,因此在內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、海洋和固定使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。 2.冷空氣冷卻單

21、元中，冷中冷裝置是利用自然空氣冷卻介質(zhì)冷卻熱壓縮空氣。氣冷式冷卻中冷裝置根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇功率分為以下兩種方式。 （1） 柴油機(jī)曲軸適用于汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,面前的冷機(jī)組冷卻水箱,冷卻風(fēng)扇,汽車是由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在風(fēng)和寒冷和冷卻水箱。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中冷通常使用這種方法。但冷發(fā)生在低負(fù)載。 （2） 在壓縮空氣渦輪風(fēng)扇壓縮空氣渦輪風(fēng)扇中冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)發(fā)出一個(gè)小空氣渦輪,渦輪驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇冷卻中冷分發(fā)器,由于有限的駕駛渦輪氣流,渦輪做功越少,風(fēng)扇提供冷卻空氣體積比較小,顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負(fù)載變化,所以的冷卻方式冷卻風(fēng)量也隨負(fù)載變化和低負(fù)載時(shí),風(fēng)量小,高負(fù)荷時(shí),風(fēng)量大,有利于不

22、同負(fù)荷燃燒性能。和它的尺寸很小,在車?yán)?安裝方便。 2.1.2柴油機(jī)中冷器的結(jié)構(gòu) 1.水冷結(jié)構(gòu)寒流廣泛使用水冷中冷使用管板結(jié)構(gòu)。管板中冷器在許多位置的層散熱器冷卻水管和錫焊或堆焊焊接在一起。由俄羅斯進(jìn)口冷軋翅片管冷技術(shù)由于使用可靠性的優(yōu)點(diǎn),傳熱系數(shù)大,也開始受到重視。在增壓中冷柴油機(jī)系統(tǒng)地識別和應(yīng)用。 （1） 管片式中冷器 管板和中冷在許多位置的層管散熱器、錫鉛焊料焊接在一起。冷卻水管和散熱器制造銅或銅。管的排列有叉行和行兩種,管道橫截面的形狀是圓形,橢圓形,扁平管,形狀和流線型的下降,etc.Pipe具有良好的工藝性和可靠性,但空氣流動(dòng)阻力大,空氣壓力損失更大。形狀和流線型的下降

23、管空氣阻力越少,而是因?yàn)楣に囆院涂煽啃圆?現(xiàn)在很少使用。橢圓管和管和扁管相比,具有較高的傳熱系數(shù),減少空氣阻力,工藝性和可靠性比圓管但優(yōu)于平面管。 （2） 冷軋翅片管式中冷器 冷軋翅片管是由金屬板或內(nèi)硬外軟致力于陷入雙金屬管在球場上。通常,銅或鋁鈑金工作;工作在黃銅,鋁雙金屬外管工作。雙金屬管道用兩種金屬銅的過程中固體聯(lián)合在一起,幾乎沒有差距,即使在振動(dòng)條件下長期工作不會(huì)釋放,翅片管的管方法固定在端板。整個(gè)過程沒有焊接,沒有虛擬拆焊后焊接工作和長期振動(dòng)現(xiàn)象。的主要優(yōu)勢,因此,冷軋翅片管冷阱較少接觸熱阻、高傳熱系數(shù)和良好的工作可靠性。它的缺點(diǎn)是,在同樣的體積冷卻面積少,空氣阻力損失更

24、大。冷軋翅片管結(jié)構(gòu)如圖2-1。 圖2-1冷軋翅片管結(jié)構(gòu) 2. 風(fēng)冷中冷裝置是由增壓空氣冷卻高溫空氣后,由于熱端和冷端熱傳遞介質(zhì)是空氣,兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)在同一數(shù)量級,因此應(yīng)該大致相同的兩邊的傳熱面積,結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷中冷扁管、翅片管式熱交換器。平管冷散熱器的扁管,壓縮空氣流管,冷卻空氣在管外流動(dòng)。由于熱端換熱面積太小,使心臟的傳熱效率低,很少使用。應(yīng)用程序更翅片管翅式中冷兩種類型。 （1） 板翅式中冷器 板式換熱器中冷結(jié)構(gòu)之間的0.5 - 0.8毫米厚的金屬板,釬焊與0.1 - -0.3毫米厚的薄金屬板制成的鰭,密封板兩端的極限。因?yàn)轹拰拥姆较蝈e(cuò)了90度,兩個(gè)不同的方向

25、鰭分別形成兩種通道的錯(cuò)流傳熱介質(zhì)。翅片類型感冒主要是由銅和硅和黃金,其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱面積大,效率高。光直翅片傳熱系數(shù)和阻力損失很小,只有在特殊的場合嚴(yán)格與阻力。為了提高空氣擾動(dòng),破壞邊界層加強(qiáng)傳熱,可以使用鋸齒形翅片或穿孔鰭翅片類型,等鋸齒狀鰭促進(jìn)流體湍流,破壞的有效熱阻邊界,傳熱系數(shù)高于光直鰭30%以上。大部分的冷,用鋸齒形翅片。 （2） 管翅式中冷器 管翅式的結(jié)構(gòu)是在管翅基礎(chǔ)上發(fā)展和熱側(cè)通道多孔管的形成。與板式換熱器相比,它的主要優(yōu)點(diǎn)是熱的一面。因?yàn)槭褂贸尚凸?簡化了過程,以避免內(nèi)壁鰭和虛擬焊接和工作振動(dòng)之間的脫焊造成的接觸熱阻,提高了傳熱效率和工作可靠性。其缺點(diǎn)是熱的一面

26、只有連續(xù)光通道,難以采取措施,繞流。目前,換熱器中冷裝置有越來越多的應(yīng)用。 （3） 風(fēng)冷式中冷器的構(gòu)造和工作原理（以板翅式為例） 如圖2-2所示為板翅式熱交換器的結(jié)構(gòu)基本單元 1） 冷熱流體在相鄰流動(dòng)的基本流道中流動(dòng),成為一體,通過換熱翅片和翅片板。因此,這種結(jié)構(gòu)的基本單位是熱傳導(dǎo)的基本單位。根據(jù)流體流動(dòng)的模式很多這樣的單位細(xì)胞布局疊加,釬焊翅片換熱器板梁的身體或身體核心。一般來說,從強(qiáng)度、保溫和制造過程的需求,比如頂部和底部板梁也各有許多虛假的翅片層(也稱為強(qiáng)度層或過程)。板梁的兩端通過適當(dāng)?shù)牧黧w入口,可以形成一個(gè)臺板翅片換熱器。 2） 翅片是換熱器翅片是最基本的元素。大部分的冷

27、熱流體之間的熱交換通過鰭,一小部分直接通過分區(qū)。正常的,設(shè)計(jì)上的翅片傳熱面積約67%的總換熱器傳熱面積~ 88%。翅片和隔膜之間的聯(lián)系是完美的釬焊,所以大部分的熱翅,通過隔膜和冷流體的鰭。由于翅片傳熱換熱,不像分區(qū)直接所以鰭有綽號第二表面。 二次傳熱表面通常低于傳熱的傳熱效率。但如果沒有基本的翅最簡單的無數(shù)波紋板式換熱器?？諝夂图又荽髮W(xué)艾姆斯實(shí)驗(yàn)室分別為沒有鰭和翅片換熱器的實(shí)驗(yàn)證明了鰭比沒有翅片式換熱器的體積減少了18%以上。如果設(shè)計(jì)的翅片效率為70%,最低的重量可以減少10%。鰭,此外,承擔(dān)任務(wù)的主要傳熱兩個(gè)分區(qū)在加強(qiáng)中也扮演了重要的角色。雖然鰭和隔膜材料很薄,但強(qiáng)度的單位細(xì)胞的構(gòu)成

28、非常高,能承受高壓。 翅片的型式很多，以下介紹其中的幾種常用型式： ①平直翅片 又稱光滑翅片，是最基本的一種翅片。光滑翅片可由薄金屬片滾軋或沖壓而成。平直翅片是有帶光滑壁的很長的長方形翅片，特點(diǎn)是當(dāng)流體在形成的流道中流動(dòng)、它的傳熱和流動(dòng)特性與長的圓管中的傳熱和流動(dòng)特性相似。這種翅片的主要作用是擴(kuò)大傳熱面，但對于促進(jìn)流體湍動(dòng)的作用很少。相對于其他翅片，它的特點(diǎn)是換熱系數(shù)和阻力系數(shù)都比較小，所以宜用于要求較小的流體阻力而其自身傳熱性能又較好(如液側(cè)或發(fā)生相變)的場合。此外，翅片的強(qiáng)度要高于其他類型的翅片。故在高原板翅式換熱器中用得較多。 ②鋸齒翅片 它可以被視為一個(gè)平翅片切成許多

29、小塊,交錯(cuò),形成定期間歇類型的鰭。這種翅促進(jìn)流體湍流,破壞熱邊界層是非常有效的。在壓力損失在相同條件下,其平直翅片的傳熱系數(shù)高于30%以上,有“高效翅片,”的說法。鋸齒形翅片傳熱性能隨翅片切開長度而變化，切開長度越短，其傳熱性能越好，但壓力降增加。在傳熱量相同的條件下，其壓力損失比相應(yīng)的平直翅片小。該種翅片普遍用于需要強(qiáng)化傳熱(尤其是氣側(cè))的場合。 ③多孔翅片 它是在平直翅片上沖出許多圓孔或方孔而成的。多孔翅片開孔率一段在5％～10％之間，孔徑與孔距無一定關(guān)系。孔的排列有長方形、平行四邊形和正三角形二種，我國目前采用的多孔翅片，孔徑為Φ2．15、Φ91．7，孔距為6．5mm、3．25m

30、m正三角形排列。翅片上的孔使傳熱邊界層不斷破裂、更新，提高了傳熱效果。但它在高雷諾效的范圍會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)及在雷諾數(shù)比較大的范圍內(nèi)具有比平直翅片高的換熱泵效，翅片上開孔能使流體在翅片中分布更加均勻，這對于流體中雜質(zhì)顆粒的沖刷排除是有利的。多孔翅片主要用于導(dǎo)流片及流體中夾雜顆?；蛳嘧儞Q熱的場合。 ④波紋翅片 波紋翅片是在平直翅片上壓成一定的波形，它使得流體在流道中一直改變流動(dòng)方向，以便促進(jìn)流體的湍動(dòng)、分離。其效果相當(dāng)于翅片的折斷，波紋愈密，波幅愈大，其傳熱性能。 就愈好。我國常用的組片有平直、多孔和鋸齒形翅片三種，并用漢語拼音符號和數(shù)字統(tǒng)一表示翅片的型式與幾何參數(shù)。如70PZ2103，則表示

31、PZ——平直翅片，70——6.5mm翅高，21——2.1mm節(jié)距，03——0.3mm翅厚。如是多孔形，則為DK，鋸齒形則為JC，幾何參數(shù)表示法相同。 （3）導(dǎo)流片和封頭 為了便于把流體均勻地引導(dǎo)到翅片的各流道中或匯集到封頭中，一般在翅片的兩端均設(shè)有導(dǎo)流片。導(dǎo)流片起保護(hù)較薄的翅片的作用。使較薄的翅片在制造時(shí)不受損壞，避免了通道被堵塞的作用。它的翅距、翅厚和小孔直徑比多孔翅片大。結(jié)構(gòu)與多孔翅片相同。封頭的作用就是使板束與工藝管道連接起來集聚流體。導(dǎo)流片與封頭的示意圖如圖2-6。 根據(jù)以上幾種結(jié)構(gòu)型式的板翅熱交換器，導(dǎo)流片如圖2-7所示。圖中I型主要是由于在熱交換器的端部有兩個(gè)以上的封

32、頭，因此要用導(dǎo)流片把流體引導(dǎo)到端部一側(cè)的封頭內(nèi)。Ⅱ型布置是由于在熱交換器端部有三個(gè)以上的封頭，需要把一股流體引導(dǎo)到中間封頭內(nèi)。Ⅲ型布置主要是用于熱交換器端部敞開或僅有一個(gè)封頭情況下。Ⅳ型是為了滿足把封頭布置于兩側(cè)而設(shè)計(jì)的。V型布置是為滿足管路布置需要而采用的。應(yīng)注意到設(shè)置導(dǎo)流片并不一定能完全克服流體在流道內(nèi)分配不均勻的問題，因?yàn)榉峙涫欠窬鶆蜻€與流體的狀態(tài)有關(guān)。 第三章 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)及使用狀況 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)要求，初選中冷能結(jié)構(gòu)及使用工況如表1 表1中冷器結(jié)構(gòu)型式及使用工況 中冷器結(jié)構(gòu)形式 管

33、帶式 芯子尺寸：寬高厚(mm) 61084065 管數(shù) 43 冷卻管寬高厚(mm) 6620.7 散熱帶 44 進(jìn)出氣室口內(nèi)徑 90 兩氣室口距離（mm) 630 散熱帶及內(nèi)置流片 波距波高寬厚(mm) 4.58650.13 熱風(fēng)進(jìn)溫度（℃） 150 熱風(fēng)出溫度（℃） 50 熱空氣流量（L/S） 375 冷風(fēng)進(jìn)溫度（℃） 25 迎風(fēng)面積（m/s） 15 3.2中冷器參數(shù)計(jì)算 3.2.1中冷胎冷側(cè)散熱面積F計(jì)算： S1=Sui1=4.912m2 S2=Si2i2=18.066m2

34、 所以F=S1+S2=22.978 式中:Su為單根冷卻管的散熱面積，m2（表1求出，下同）；il為冷卻管根致;SI為冷卻管散熱面積，m2;S2為散熱帶的散熱面積，m2 ;S2為單根散熱帶的散熱面積。m2;i2為散熱帶根數(shù)。 3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)要求的熱側(cè)空氣流 G1=26.4kg/min=0.44kg/s 體積流量： V=0.375m3/s Sg=Sg1i1=4.71m2 同理 SW=2135.5mm2 S3=Sg.SW=4.69m2 式中:Sg為冷卻管的通道面積，m2;Sgi為單根冷卻管內(nèi)腔的截面積，m2;SW為紊流片料厚所占的面積，m2;S3為中冷器熱側(cè)通道有效面積，m2

35、。 而V1=V/S3=0.375/4.69=0.08m/s 可見此流速在最佳流速范圍內(nèi)。 3.2.3中冷器的迎風(fēng)面積 Sf=dh1=0.6100.840=0.5124m2 中冷器冷側(cè)通過面積 Sc=h2h1S1 =(88400.1316.92840/4.5)4410-6 =0.2713m2 所以，冷風(fēng)通過率kc=Sc/Sf=52.9％. 第四章 柴油機(jī)中冷器的CFD模擬優(yōu)化 增壓中冷系統(tǒng)對柴油機(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。因?yàn)槲覀儑以谄嚥裼蜋C(jī)增壓中冷技術(shù)的

36、發(fā)展起步較晚,知道設(shè)備的設(shè)計(jì)還沒有形成一套完整的理論,冷的性能評價(jià)方法還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此,在寒冷的在產(chǎn)品開發(fā)過程中,常常需要進(jìn)行大量的匹配實(shí)驗(yàn)整個(gè)機(jī)器,導(dǎo)致開發(fā)周期和成本的增加,不能滿足增壓中冷應(yīng)用程序的需求。現(xiàn)在國際流行的設(shè)計(jì),研究方法主要是利用計(jì)算機(jī)模擬,設(shè)計(jì)首先,然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。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。 4.1 CFD技術(shù)在管翅式換熱器設(shè)計(jì)開發(fā)的優(yōu)越性

37、 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。相對而言，管換熱器中冷應(yīng)用越來越廣泛。翅片管換熱器是一種高效緊湊式換熱器,與加工技術(shù)的發(fā)展,擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍,是廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨工業(yè)、船舶、車輛等,其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,容易流安排,小溫差、大熱的溫度下降。和傳統(tǒng)的管式換熱器設(shè)計(jì)通常只依靠簡單的理論,長期積累的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析確定換熱器的結(jié)構(gòu),但它需要大量的實(shí)驗(yàn)基金和長周期,和由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式并不能保證最好的解決方案,因此需要探索更有效和方便的設(shè)計(jì)研究方法。 我們可以看到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖的設(shè)計(jì)過程在傳統(tǒng)管式熱交換器,冷的影響設(shè)計(jì)的可行與否往往取決于實(shí)

38、驗(yàn)驗(yàn)證。為了確保冷機(jī)性能穩(wěn)定,大量的試驗(yàn)。和篩選和優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和測試部門進(jìn)行系統(tǒng)性循環(huán),由于涉及的鏈接,產(chǎn)品開發(fā)周期長,成本高。而對于工程設(shè)計(jì)而言,往往又需要進(jìn)行對方案選擇、優(yōu)化。 4.2管翅式中冷器的CFD設(shè)計(jì) 利用Fluent模擬計(jì)算中冷器能涉及到中冷器的流動(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。 4.2.1中冷器的建模 利用Pro軟件該中冷器進(jìn)行建模工作。先將模型將建,然后導(dǎo)入策略,策略是前處理軟件CFD商業(yè)軟件Fluent,主要作用是建立一個(gè)網(wǎng)格模型。它的功能非常強(qiáng)大,可以建立各種各樣的幾何、邊界條件、網(wǎng)格幾

39、何和設(shè)置,最后將生成計(jì)算網(wǎng)格中的文件導(dǎo)入流利。我們對換熱器中冷器的結(jié)構(gòu)不構(gòu)成重大影響的前提下適當(dāng)?shù)暮喕? 建立合理的數(shù)學(xué)模型，中冷器建模后分為三部分，進(jìn)氣道、出氣道、芯體；其中芯體部分做如下簡化：只做出增壓空氣通道，而冷卻介質(zhì)通道挖空，冷氣熱氣之間做對流換熱；將進(jìn)氣道、芯體、出氣道連為整體。這有助于計(jì)算量的減少和計(jì)算精度的保證。導(dǎo)入Gambit中的模型如圖5-1。 中冷器模型（三視圖） 中冷器模型（主視圖） 圖5-1 Gambit建模圖 4.2.2網(wǎng)格劃分 完成后的CFD軟件的建模工作是建立在有限元分析的基礎(chǔ)。因此對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 在 Gamb

40、it 中，對劃分網(wǎng)格的規(guī)定是：對于二維模型可劃分三角形、四邊形單元，而四邊形單元的計(jì)算精度高；對于三維模型可劃分為四面體、五面體和六面體單元，相對而言六面體單元的計(jì)算精度高。 本次設(shè)計(jì)計(jì)算使用三維六面體網(wǎng)格單元模型。熱壓縮空氣直接把空氣冷卻器進(jìn)出口邊界。網(wǎng)格劃分的設(shè)置如圖5-2所示。網(wǎng)格單元取size=5，網(wǎng)格劃分后，總共有1780881個(gè)六面體單元，對模型進(jìn)行處理，改進(jìn)后的模型如圖5-3所示： 圖5-2 網(wǎng)格劃分設(shè)置 圖5-3 網(wǎng)格劃分圖 4.3結(jié)果分析 從上面的中冷器內(nèi)部靜態(tài)壓力、速度和溫度的云圖分布，我們可以看出： 1、 通過靜態(tài)壓力云圖： (1) 中冷器的

41、壓力呈層狀分布，進(jìn)氣道壓力由上到下逐漸增大，但壓力變化的不大，而出氣側(cè)正好相反。這說明高壓的熱空氣進(jìn)入中冷器后，每層在通過換熱芯子時(shí)，熱空氣的壓力有所降低。這是由于熱交換器芯整體流通截面積應(yīng)大于流進(jìn)氣和排氣側(cè)橫截面積和路徑的壓縮空氣在流動(dòng)的過程中較低的壓力造成的。 (2)由于進(jìn)氣道由上到下逐漸縮小，使中冷器下端壓力偏高，使該處的應(yīng)力偏高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視。 (3)該模型中，拐角處為直角，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免直角拐角存在，進(jìn)出氣道的拐角處應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角，使氣流平緩過渡，避免拐角處應(yīng)力過大。 2、 通過對速度云圖： (1)冷熱空氣流量的一邊在當(dāng)?shù)馗浇母吣蜔帷＿@是由于進(jìn)口側(cè)的熱空氣通

42、過熱核心,遇到熱心墻附近的流速不均勻產(chǎn)生的塊。在冷阱的設(shè)計(jì)是不可避免的,我們要做的是設(shè)法降低流速偏高。 (2)熱空氣的熱交換器芯整體速度分布比較均勻,這種設(shè)計(jì)有利于均勻傳熱的熱空氣。但我們可以看到,熱空氣的傳熱速度分布在核心自下而上略有不同。 結(jié)論 本論文闡述了中冷器的研究現(xiàn)狀及背景，突出優(yōu)化設(shè)計(jì)中冷器的必要性和緊迫性，介紹了增壓中冷的目的及作用，同時(shí)簡單介紹了幾種高效中冷器類型及結(jié)構(gòu)。以板翅式中冷器為例，詳細(xì)介紹了中冷的基本單元，翅片的類型及作用，中冷器的流道布置狀況以及整體結(jié)構(gòu)、原理。作者將分析的發(fā)動(dòng)機(jī)型號定為東風(fēng)朝柴CY4100ZLQ，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)

43、參數(shù)及高效換熱的目的，選擇管翅式中冷器作為中冷設(shè)備，對給定增壓柴油機(jī)的原始數(shù)據(jù)換算出增壓柴油機(jī)已知及要求指標(biāo)；同時(shí)計(jì)算出柴油機(jī)的熱力參數(shù)。其次對中冷器芯體進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并應(yīng)用對數(shù)平均溫差法校核散熱面積、用效能-傳熱單元數(shù)法校核增壓空氣出口溫度、并對增壓空氣和冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力損失進(jìn)行校核。根據(jù)中冷器工作狀況，對零部件--封頭、隔板等做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并用Pro 繪制出各部分的三維圖，并裝備成中冷器整體三維圖，然后又將其i文件導(dǎo)入Fluent的前置處理器Gambit對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，隨后將文件導(dǎo)入Fluent進(jìn)行邊界條件設(shè)定、模擬計(jì)算。本論文中只考慮了中冷器增壓空氣進(jìn)出口邊

44、界條件，對冷卻空氣將其作為固定的對流系數(shù)進(jìn)行冷卻，模擬結(jié)果存在一定的誤差；然后對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。最后結(jié)合本設(shè)計(jì)中的模擬結(jié)果以及現(xiàn)階段中冷器的新發(fā)展?fàn)顩r，提出了幾項(xiàng)優(yōu)化措施。 參考文獻(xiàn) [1]張峰,高東順.柴油機(jī)中冷器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).內(nèi)燃機(jī)車, 2012年2月 第2期(總第336期) [2]崔洪江,史雙人吉,劉俊杰,李明海. DF4c型機(jī)車中冷器CFD性能仿真分析.內(nèi)燃機(jī)車, 2011年4月 第4期(總第446期) [3]劉云崗,李德鋼,張錫朝,張濟(jì)勇. 冷軋翅片管式中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法.內(nèi)

45、燃機(jī)學(xué)報(bào)[J]. 2013年第21卷第5期 [4]劉曉麗,徐宇工,王凱. 空_空熱管式中冷器設(shè)計(jì)及熱力性能實(shí)驗(yàn)研究.現(xiàn)代車用動(dòng)力, 2010年5月第2期(總第138期) [5]周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2015 [6]陳紅. 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景. 內(nèi)燃機(jī).2011年2月 [7]王應(yīng)紅, 鄭國璋. 廢氣渦輪增壓與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的理論計(jì)算研究. 內(nèi)燃機(jī).2012(2) [8]楊世銘,陶文銓. 傳熱學(xué) 高等教育出版社 2011 [9]李國樣, 李 娜, 張錫朝. 氣一氣中冷器內(nèi)湍流特征

46、的試驗(yàn)研究. 內(nèi) 燃 機(jī)工程. 第23 卷(2012)第5期 [10]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會(huì). 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(中冊). 北京:中國農(nóng)業(yè)出版 社,2010.12 致謝 畢業(yè)論文寫作的期間，學(xué)到了很多不一樣的東西，有壓力也有成長。雖然自己查閱了大量資料，做了許多相關(guān)的工作，但如果沒有導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和其它老師同學(xué)的大力幫助，我是無法完成此次畢業(yè)論文的，特在此向在我完成此次畢業(yè)論文過程中給了我許多鼓勵(lì)和幫助的老師同學(xué)一并致謝。 首先感謝我的導(dǎo)師劉孟祥老師，其次感謝在這次畢業(yè)論

47、文中給了我許多幫助的老師和同學(xué)，他們的支持和鼓勵(lì)讓我克服各種困難。第三，我要感謝那些曾經(jīng)教導(dǎo)我的老師們，感謝他們。最后，還要向百忙之中評審本文的各位老師、答疑老師表示最誠摯的謝意。 畢業(yè)論文寫作的期間，學(xué)到了很多不一樣的東西，有壓力也有成長。雖然自己查閱了大量資料，做了許多相關(guān)的工作，但如果沒有導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和其它老師同學(xué)的大力幫助，我是無法完成此次畢業(yè)論文的，特在此向在我完成此次畢業(yè)論文過程中給了我許多鼓勵(lì)和幫助的老師同學(xué)一并致謝。 首先感謝我的導(dǎo)師劉孟老師，其次感謝在這次畢業(yè)論文中給了我許多幫助的老師和同學(xué)，他們的支持和鼓勵(lì)讓我克服各種困難。第三，我要感謝那些曾經(jīng)教導(dǎo)我的老師們，感謝他

48、們。最后，還要向百忙之中評審本文的各位老師、答疑老師表示最誠摯的謝意。 轉(zhuǎn)眼間，研究生的學(xué)習(xí)生活就要結(jié)束了，而入學(xué)仿佛還是昨天的事情，初來乍到時(shí)的場景猶歷歷在目。回憶起這兩年半的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，感慨不已，欣慰之余而又慶幸無比。值得欣慰的是，我的時(shí)間是在汗水和拼搏中度過的，學(xué)到了許多受益無窮的東西；慶幸的是我來到了一個(gè)很好的環(huán)境，遇到了很多的良師益友，給我了很多的指引和幫助，使我能夠順利地完成學(xué)業(yè)，再此謹(jǐn)向他們表示最衷心的感謝! 最深的謝意獻(xiàn)給我的導(dǎo)師劉孟翔教授。我知道，我所掌握的言語并不能確切地表達(dá)我對老師的感激之情。是老師給了我一片天空，使我有了可以試翅的空間。老師在學(xué)術(shù)上給了我方向，生活中給我了溫暖，行動(dòng)上給我了勇氣，處世上給我了榜樣。在我失敗的時(shí)候，老師給我打氣；在我咬牙堅(jiān)持的時(shí)候，老師給我加油；在我成功的時(shí)候，老師給我提醒，讓我繼續(xù)前進(jìn)?？傊?，老師無論在什么時(shí)候都給了我最大的信任，用他的言傳身教，使我學(xué)到了許多書本上沒有的東西，這也是我獲得的最寶貴的財(cái)富。 附錄A 22