气-气中冷器进气结构优化设计研究

中冷器常用于大型柴油内燃机，主要作用是降低增压空气的温度，进一步提高增压空气的密度，提高柴油机的功率和降低柴油机的热负荷。因此中冷器性能的好坏将直接影响柴油机的经济性能指标。众多学者对影响中冷器传热性能和压降特性的因素进行了研究^[1,2]，得出了可用于指导实际生产的结论。近年来，由于计算机技术的飞速发展，数值计算模拟也越来越多地运用到中冷器性能研究中，成为研究增压中冷器研究中较多采用的手段^[3]。谷操等^[4]对两种典型的中冷器进气室模型进行了二维湍流分析，并分别研究了扩张面积比和流通面积比变化时对流体流动状态的影响，其结果为设计合理的中冷器进气室结构提供了有益的参考。本文将对进气室导流叶片型式的选择进行分析和优化，并对中冷器进行传热和压降分析。

1、气-气中冷器设计的一般原则

气-气中冷器希望有最小的压力降，中冷器热空气侧阻力＜102Hg时，其对燃料经济性影响<1%。

从国内外的研究结果来看，中冷器气室结构对其整体压降影响非常大，在中冷器设计过程中必须予以高度重视。图1、2分别给出了中冷器气室优劣的二种设计。图1气室的设计能使空气较均匀地通过芯子。即使如此，通过进气室后的压降也要占整个中冷器压降的60%左右，其余40%左右是芯子产生的。

图1 优先推荐的气-气中冷器进气室结构

图2不推荐采用的气-气中冷器进气室结构

系统压力降的减小可以通过选择适当的通气管直径来得到，进气管直径与阻力成反比，表1给出对应于空气流量的管径。

中冷器进出气管应走向合理，尽可能减少弯曲。一个直角弯管的阻力约等于三个120°弯管阻力。所有弯曲的管子最好用硬管而不用软管，软管弯曲容易产生吹脱现象。弯管处应有固定支架，以保证固定位置。

2、进气室结构优化分析

图3 中冷器几何结构模型

图3所示为在内燃机中广泛使用的气-气中冷器几何结构。热气侧为带有内翅片或者无内翅片的扁管，冷空气侧一般为带有百叶窗的波纹散热带。

图4 方案1轮廓图（无导流片）

图5 方案2轮廓图（直导流片）

图6 方案3轮廓图（弧形导流片）

为了优化设计中冷器的进气结构，考虑到热气流量分配对中冷器性能的影响，本文选取了三种在实际生产中广泛使用的进气结构方案，如图4、5、6所示，分别为无导流片、直导流片和弧形导流片的进气结构。

本文利用FLUNENT软件的流场分析模块对上述三种方案进行了分析。在计算中采用了κ-ε两方程模型^[5]。考虑到计算速度和网格划分，将热气管简化成多孔介质^[6]。为了便于比较，所有计算过程的边界条件不变。

图7 各管子内质量流量分布

图7是上述三种进气室结构下热气侧各管道的流量分配。从图中可以看出，管内流量分配非常不均匀，特别是芯体下部管束流量很小，这种不均性对中冷器换热性能影响很大。通过修改进气结构，加入导流片的方法可使得芯体下部管内流量略有增加。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3
图8 管侧流量分配比例

为了比较优化结果，我们把管子分成两组，1~26为第1组，27～48为第2组2。图8给出了两组管子中的热气流量所占的比例。从流量分配的观点看，方案3的结构最好，第二组管子中的流量增大到了总流量的27%。

图9 三种方案热气管侧压降比较

图9给出了三种方案中管侧压降的对比结果。从图中可以看出，虽然方案3的流量分配趋于合理，但压降比另两种方案大很多（比方案2大14%以上）。

综合流量分析和压降分析可见，方案2的管侧压降最小，而管子中的流量分配也较无导流板的结构有所改善，可以认为方案2是最优方案。

3、结论

本文对气-气中冷器进气室结构设计原则进行了探讨，并利用FLUENT软件对实际使用中的不同结构的进气结构进行了数值分析，得出了如下结论：

1、进气室结构对中冷器流动特性和压降特性有重大影响，进气室压降通常占整个中冷器压降的60％左右。

2、文中分析了三种不同结构的进气结构，在考虑了流量分配和压降特性的基础上选择了最优方案。

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