基于多孔介質模型的中冷器內阻CFD分析

1 前言

    本文利用商業CFD分析軟件ANSYS FLUENT對某汽車中冷器的內流場進行CFD模擬分析，利用FLUENT軟件的多孔介質模型模擬中冷器芯體擾流片的阻力特性，在保證計算精度的同時，極大限度的降低了中冷器內阻CFD分析模型的規模。在產品設計初期，通過對中冷器的內流場進行CFD分析，能有效了解中冷器內部的速度分布情況﹑壓力分布情況以及中冷器內部各冷卻管間的流量分配情況，可以得到中冷器內部阻力特性并初步了解中冷器的換熱能力。并將中冷器內阻CFD分析結果與樣件試驗結果進行對比分析，驗證CFD分析的可靠性。

2 中冷器擾流片阻力特性CFD分析

    中冷器擾流片阻力特性CFD分析采用簡化的二維模型進行，CFD分析前處理采用ANSYS ICEM CFD軟件，求解及結果的后處理使用FLUENT軟件。擾流片內部流體介質為116℃的空氣，計算采用速度進口與壓力出口邊界條件，進口流速分別取2m/s，5m/s，10m/s，20m/s，40m/s，60m/s。圖1擾流片二維簡化CFD模型，圖2擾流片壓力分布情況。圖3為擾流片阻力特性。根據公式Di=a/Lμ，Ci=2b/Lρ計算中冷器芯體多孔介質的粘性阻力與慣性阻力，由擾流片阻力特性曲線擬合的多項式得到a=0.2387，b=0.0985。通過計算粘性阻力為216981，慣性阻力為4.43。

圖1 擾流片二維簡化CFD模型

圖2 擾流片壓力分布情況

圖3 擾流片阻力特性

3 中冷器內阻CFD分析

    中冷器內阻CFD分析前處理采用ANSYS ICEM CFD軟件與HyperMesh軟件，求解及結果的后處理使用FLUENT軟件。計算模型的三維幾何模型由CATIA軟件生成，通過ParaSoild格式導入ANSYS ICEM CFD軟件，通過Stp格式導入HyperMesh軟件。

    3.1 計算模型與網格劃分

    由中冷器三維模型通過CATIA軟件進行布爾運算，提取中冷器內部流體區域。運用ANSYS ICEM CFD軟件對中冷器進﹑排氣室進行網格劃分，由于模型結構比較復雜，全部采用非結構化的四面體網格；運用HyperMesh軟件對中冷器芯體進行網格劃分，由于模型結構比較規則，采用六面體網格劃分，并對管道壁面邊界層網格進行加密；運用Tgrid軟件，將進﹑排氣室網格與芯體網格進行合并。為了保證計算的精度，管道截面厚度方向布置12個網格；同時為了獲得更好的求解收斂性，將入口和出口均進行適當延長，延長的距離大約為8倍的直徑。整個中冷器計算模型的網格數在120萬左右，網格模型如圖4所示。

圖4 網格模型

    3.2 物理模型與邊界條件設置

    中冷器內流動CFD分析過程中認為空氣在中冷器內部的流動是穩態、絕熱、可壓縮的粘性湍流流動，采用標準的k-ε湍流模型和標準的壁面方程，中冷器的內壁面認為是水力光滑的，采用雙精度求解器，非耦和隱式算法，二階求解精度。為了與試驗條件一致，中冷器內流動CFD 分析過程中采用116℃的理想空氣作為流體介質，空氣的質量流量分別為0.08kg/s，0.11kg/s，0.14kg/s，0.18kg/s，采用質量流量入口+壓力出口的邊界條件，出口壓力（表壓）為0Pa。

    3.3 CFD計算結果分析及與試驗結果對比

    分別對中冷器各個入口流量進行模擬計算，圖5為入口流量為0.14kg/s時中冷器壁面壓力分布與速度分布情況，圖6為該工況下中冷器冷卻管截面壓力分布與速度分布情況。圖7為該工況下中冷器進口與出口處速度分布情況。圖8為該工況下中冷器各冷卻管的流量分配情況。圖9為中冷器內阻特性曲線。

圖5 中冷器壁面壓力分布與速度分布情況

圖6 中冷器冷卻管截面壓力分布與速度分布情況

圖7 中冷器進口與出口處速度分布情況

圖8 中冷器各冷卻管的流量分配情況

圖9 中冷器內阻特性曲線

4 結論

    通過中冷器冷卻管擾流片的二維簡化模型，計算擾流片的阻力特性，進一步計算中冷器芯體多孔介質的參數，用于計算中冷器內阻，中冷器內阻特性CFD計算結果與試驗結果吻合較好，說明此計算方法是正確可行的，而且能夠達到很好的計算精度。

    中冷器內流場分析結果顯示：中冷器進氣室﹑排氣室結構設計較為合理，進口處存在少量漩渦；中冷器單個冷卻管截面上速度分布比較均勻；中冷器各散熱管流量分配不均勻，距離進﹑出口越近流量越大，會對中冷器的換熱性能產生一定的負面影響。

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