基于Fluent的管式EGR冷却器性能分析

洪洋

摘要：针对管式EGR冷却器性能难以预测的问题，基于Fluent对EGR冷却器进行性能分析，得出出气温度、气侧背压、换热功率、各冷却管流量、冷却芯体温度分析、气侧流线等数据，并与试验数据进行对比。对比结果显示：基于Fluent的管式EGR冷却器分析可有效预测冷动器的各项性能，可为管式EGR冷却器设计提供重要参考。

Abstract： Aiming at the unpredictable problem of the performance of tubular EGR cooler，performance analysis is taken based on Fluent to get the data of Outlet temperature， gas side back pressure， heat transfer power， flow rate of each cooling pipe， temperature analysis of cooling core， gas side streamline， and the analysis data were compared with the test data. the results show that the performance analysis based on Fluent can effectively predict the performance of the cooler and provide an important reference for the design of tubular EGR cooler.

关键词：Fluent;管式EGR冷却器;性能分析

Key words： Fluent;tubular EGR cooler;performance analysis

中图分类号：U463                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0068-03

0  引言

废气再循环系统（EGR）将柴油发动机部分排气再送回气缸，破坏NOX高温富氧的生成环境，从而使柴油机NOX的排放有效降低[1]。

EGR冷却器是冷却发动机废气的核心部件，经EGR冷却器再次进入发动机的废气有一定的温度要求，温度太高不能有效降低NOX的生成，太低会出现水蒸气冷凝[2]。目前，管式EGR冷却器在废气再循环系统中得到了广泛应用，相比于板式EGR冷却器具有结构简单、造价低和高寿命的特点。传统的管式EGR冷却器的设计是基于工程人员的经验，对于不同结构EGR冷却器在不同工况下的性能无法准确地评估，从而浪费研发费用，耽误研发周期[3-4]。

本文以某柴油机管式EGR冷却器为研究对象，采用流体分析软件Fluent软件进行性能分析，最终产品顺利通过性能试验。

1  EGR性能要求

本文所研究的某柴油机为直列四缸发动机，排量4.0L，额定转速2400rpm。根据客户空间约束，设计有EGR冷却器外观如图1所示。

EGR冷却器由进气端盖、出气端盖、进水管、出水管及固定支架组成，客户性能要求如表1所示。

2  计算模型及网格划分

根据空间边界与性能要求，EGR冷却芯体使用36根长度308mm、直径7mm的螺旋管进行冷却，采用6×6的形式排列，从左到右按列对冷却管进行编号，如图2所示。

根据EGR冷却器的三维数据，抽取内部流场边界，并导入网格处理软件ANSA进行网格处理，面网格使用三角形网格，体网格均使用四面体网格，同时为了保证芯体部分的计算精度，在芯体部分进行了加密处理，网格总数为267万，如图3所示。

3  流体计算及结果分析

3.1 流体计算

将网格导入Fluent软件进行流体计算，由于冷却器内部气体与液体流速均较低，故使用基于压力的定常求解器进行求解，同时为了保证计算的精度，使用二阶迎风格式进行压力、速度、温度的耦合计算，模型选用k-ε湍流模型[5]，并根据性能要求的工部设置边界条件，进行6000步的迭代计算，如图4所示。

3.2 结果分析

表2为EGR冷却器的性能评价，由图中可知在额定工况下，EGR冷却器的出口温度为165℃，气侧背压为1.9 kPa，换热功率为5.6kW，均满足客户的性能要求。

通过流体分析，可得各冷却管的流量如图5所示，数据显示管10和管17的废气流量较大，管13的流量最小，但各管的流量比较均匀，流量差小于5%，符合设计要求。

图6为冷却芯体的温度云图，图中可知冷却芯体整体温度分布均匀，无大面积的低温区及高区的存在，在冷却液入口处存在低温区，在远流冷却液入口处存在小面积的高温区，符合设计要求。

图7为EGR冷却器气侧流线图，图中可知在进气端盖处气体流线分布均匀，无明显的紊流、回流现象，符合设计要求。

综上，基于Fluent的性能分析顯示，该EGR冷却性能各项指标均达到设计要求。

3.3 试验验证

为了验证基于Fluent的性能分析的准确性，使用EGR综合性能试验台进行放热性能试验（见图8）。

EGR放热性能试验显示，EGR冷却器的出气温度为161℃，气侧背压为1.8kPa，换热功率为5.66kW，分析结果与试验结果误会差约3%，符合工程预期。

4  结论

基于Fluent对EGR冷却器流体分析可有效预测EGR冷却器的出气温度、气侧背压、换热功率等性能数据，还可对难以检测的EGR冷却器各冷却管的流量、冷却芯体的温度分析、气侧流线等数据进行直观展示。

参考文献：

[1]贺捷，贺良国.EGR冷却器对柴油机NOX排放的影响[J].内燃机与配件，2021（03）：38-39.

[2]杨季旺，庞华廷，刘丛浩，杜宪峰，牛俊良，刘崇.EGR冷却器液侧沸腾特性及流量参数优化研究[J].汽车实用技术，2020，45（21）：98-99，135.

[3]吴海燕.EGR冷却器结构与性能优化[D].辽宁工业大学，2019.

[4]韩占忠.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[5]吴江，张振东，尹丛勃，陆磊.柴油机EGR冷却器综合性能分析及改进[J].柴油机设计与制造，2015，21（03）：5-8.