增压柴油机中冷器设计与CFD模拟优化

1、 PAGE- 40 - / NUMPAGES44摘要本文阐述了增压中冷系统对改善现代柴油机排放、动力性等方面的重要意义。突出介绍中冷器对增压中冷系统的重要作用并介绍了中冷器作为换热器的发展过程。介绍了高效换热器、板翅式换热器结构原理。对已知增压发动机估算出增压后空气流量、温度与理论增压比，计算出了增压空气的进口流量与进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量，环境温度与中冷器出口温度，计算出中冷器需要散失的热量，最后确定中冷器的传热系数，并对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。利用CAD软件做出设计好的中冷器零件图。利用CFD商业软件FLUENT对该中冷器进行建模、网格划分、模拟计算和结果分

2、析，最后确定中冷器优化的方向与优化措施。关键词：增压中冷 中冷器 CFD技术 柴油机ABSTRACTThis paper describes the significance of turbocharged inter-cooling system for improving the dynamic property、emission performance of modern diesel engine. First of all, we focus on the important role of inter-cooler for turbocharging system, and int

3、roduce the development of it as a exchanger.Highly efficiet heat exchangers, the principle and structure of plate-fin heat exchangers are described by the article in this thesis. Through the application of JTK estimation method, air flow,temperature and the theoretical pressure ratio of the known tu

4、rbocharged engine are estimated, calculating the air inlet flow rate and inlet air temperature for the follow-up design. Then according to the flow of the cold air generated by the fan ,the ambient temperature and the outlet temperature ,the heat dissipation of the inter-cooler iscalculated ;finally

5、,determining the HYPERLINK app:ds:heat%20transmission%20%5bheat-transfer%5d%20coefficient t _self heat transmission coefficient of the intercooler,and checking the pressure loss,boosted temperturre,radiating area. Using the CAD software to draw the optimized parts and assembly of the designed inter-

6、cooler .Finally，We use commercial CFD software named FLUENT to model、mesh、simulated and analysize this cooler.And use the traditional theory methord of the cooler design to verify the result from FLUENT simulation . Keywords:intercooler turbocharged CFD diesel engine摘要Abstract目录 TOC o t 标题 3,3,标题 4,

7、4 第一章绪 论11.1 课题的目的和意义11.2国外研究现状与发展方向21.3本课题的提出31.4本课题的主要工作4 TOC o 1-4 第二章柴油机中冷器简介52.1 柴油机中冷器的类型结构52.1.1 柴油机中冷器的类型52.1.2 柴油机中冷器的结构62.2 柴油机中冷器的选型原则13第三章柴油机中冷器的设计计算143.1柴油发动机中冷器选型143.1.1发动机基本参数与环境参数153.1.2中冷器型式选择153.2原始参数183.3几何结构尺寸确定和计算193.4传热系数计算203.5用对数平均温差法校核散热面积213.6用效率传热单元数(NTU)法校核增压温度213.7压力校核22

8、3.8中冷器外部结构确定223.8.1冷空气和增压空气封条223.8.2平板233.8.3导流片233.8.4增压空气封头243.8.5增压空气封头接管243.8.6中冷器芯子装配图243.8.7中冷器连接25 TOC o 1-4 第四章CFD技术现状与应用264.1 CFD技术介绍264.1.1 CFD技术的发展现状264.1.2 CFD技术的特点274.1.3 CFD技术的分支274.2 CFD技术的应用274.2.1 CFD软件的结构274.2.2 CFD的应用围274.3 CFD技术在燃机领域的应用274.4 CFD技术在换热器方面的应用29 TOC o 1-4 第五章柴油机中冷器的C

9、FD模拟优化305.1 CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性305.2 管翅式中冷器的CFD设计315.2.1 中冷器的建模325.2.2 网格划分325.2.3 边界条件设定335.2.4FLUENT模拟计算335.3 结果分析345.4中冷器优化36 TOC o 1-4 全文总结39 TOC o 1-4 参考文献40 TOC o 1-4 致与声明41 TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z 第一章 绪论1.1 课题背景进入到21世纪，伴随着能源危机和环保意识的加强、环保法规的日益严格，人们在追求发动机动力性和经济性的同时，也加强了对发动机排放性能的改进和要求。鉴于燃

10、机的社会保有量不断增加，其排放危机人类身体健康越来越受到人们的关注。就民用汽车而言，93年神会保有量810万辆，2000年猛增至1870万辆，2010年已达到8000万辆。因此在人口十分密集的城市，汽车排放对人类将带来很大危害。世界各国相继推出日益严格的的排放法规来控制汽车尾气对大气环境的污染，特别哥本哈根会议之后，对汽车排放要求更加严格。为了满足最新的排放法规要求，是发动机能够降低排放污染物，人们提出了多种方案。而其中涡轮增压器加器（即增压中冷系统）的方案可以在提高发动机功率的同时，能够以显著的降低CH、CO、NOx和碳烟颗粒等污染物来满足日益严格的环保法规的特点日益得到人们的认可。对于增压

11、柴油机当增压压力较高时往往需要对进气进行冷却，因为增压的作用在于提高发动机的进气密度，从而加大喷入的燃料以提高平均有效压力。但随着增压比的增加，压气机出口空气温度也随之升高，因而在一定程度上限制了充气密度的提高。所以中冷后进气温度对柴油机的燃烧过程与排放性能有显著的影响。而且对进气进行增压还可以是柴油机在排量不变、质量增加不大的情况下达到增大输出功率的目的，通过合理匹配设计，还可以有效地改善燃机的排放性能。但随着增压强度的增加，进气温度的显著升高阻碍了燃机性能的进一步改善。实验结果表明，在一样的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，它的密度约增大3%，当空气燃烧消耗率都保持不变时，柴油机

12、输出功率可以提高3%5%。不仅如此，柴油机效率也随着增压空气温度下降而上升，同时还能降低排放中的污染物，改善发动机的低速性能。因此，增压柴油机常采用中间冷却技术(以下简称中冷技术)。它不但可以提高发动机的功率，而且还可以降低发动机的热负荷和排气温度，用以达到降低增压柴油机排放降低的目的。正是由于增压中冷系统的应用，柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。正因如此，中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置，是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于中冷器的结构设计，散热效率的研究与其研究方法成为一个十分重要的课题。柴油机中冷器的设计要求主要是：1、 结构简单、紧凑；2、

13、工作可靠、成本低；3、 提高中冷器的换热能力；4、 减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失。而以上目标和要求有时是相互影响和制约的。因此我们在设计中冷器之前，必须首先要明确要达到的主要目标和任务，然后通过选择、比较确定一种合适的方案。在研究、设计过程中，应用CFD（Computational fluid dynamics）技术虚拟设计、计算中冷器的流通特性和换热效果，并进行仿真分析，将为今后的中冷器开发、设计寻找出一种切实可行的方法。1.2 国、外中冷器研究的现状与发展动向 柴油机中冷器作为换热器的一种，它自身的发展与换热器的发展过程密切相关。而换热元件是换热器的核心部件，换热元件最初使

14、用光管，其加工容易。其在换热器油冷器、淡水冷却器等方面取得了广泛的应用。随着强化传热技术的发展，椭圆管等随之出现，但其管、外散热面积相差很小，对散热系数相差很大的两种液体间的换热很不适应。与此同时，扩展表面强化传热得到了长足的发展。由于对紧凑度方面的要求越来越高，使得管片式换热器在水箱、中冷器等方面得到了较快的发展和广泛的应用，并且一直方兴未艾。德国的 GEA 公司在异型管方面享有世界盛誉。但是，由于异型管加工工艺复杂、成本高，在加工过程中与端板连接多次发生变形，使得其强度受到影响。同时，散热片和管之间的间隙会产生较大的热阻，严重影响了换热效率。即使采用了锡焊工艺，也经常会在使用过程中出现锡焊

15、脱落的情况，尤其是在振动出现的场合，更会影响其使用寿命。因此在近几年来柴油机中冷器出现了新的变化趋势。美国 WHT 公司采用圆管外表面绕翅片并采用镍粉、铅焊等技术用以构成管、片一体的强化传热元件。这种元件的结构各式各样，翅片由 L 型、双 L 型、双向翅片管等。根部采用嵌入式与焊接固定方式，管和片的材料一般为碳钢、不锈钢、铝、铜等。管径 6152mm，管长最长可达 14m，片厚 0.2-3.0mm,片高一般为 1.27-38mm。这种元件可在高温下使用，具有抗震、传热性好的特点，它可单独或同时强化管、外的换热，因而可以对两种换热系数接近的或相差较大的场合进行强化传热。“C”管式换热元件是由日本

16、日立电线厂首先开发，它是目前世界上最先进的高效换热管之一。“C”型管有锯齿状的齿型，使各方的液膜都被刺破，容易使其形成小液珠滴落，它近似于滴状冷凝，其传递的热量比膜状冷凝要大 2-20 倍。日历电线厂在“C”管的基础上，又发展了“CC”管等高效冷却元件。“CC”管与“C”管的不同之处在于多滚了一次波纹，而波纹的作用是使流经管的液体呈现混流状态，避免了层流，更有利于带走热量。目前换热器中流行的板翅式换热元件最早出现于二十世纪三十年代，半个多世纪以来发展比较迅速，尤其是在美国、日本、前联、英国、德国等国家，相关研究和制造工作开展的比较早，也比较多，因而相对更成熟些。由这种冷却元件构成的中冷器具有传

17、热效率高、结构紧凑、轻巧牢固、适应性强与经济性好等优点，以广泛应用于各个领域。冷轧肋片管是由俄罗斯冶金研究院和中央柴油机等单位研制并用于燃机换热设备的一种高效换热元件。这种冷轧肋片管已统一肋片标准，使之趋于通用化、系列化，并缩小了各种换热装置的尺寸。采用冷轧肋片作换热元件的换热器所获得的有益技术性能，可以与其类似的装置特性对比来进一步验证。换热元件在我国也经历了一个由光管到异型管，再到强化传热管的发展过程，在近些年来，我国除了自己研发外，也在不断的引进国外先进的技术，加以消化吸收，来提高国换热器产品质量。在我国对翅片管冷却元件的研究开始于二十世纪六十年代初，至今在空分、石油化工、航空、车辆船舶

18、、动力和电厂等方面都有了比较广泛的应用。增强换热器传热能力的主要途径有：扩展传热面积，提高设备单位体积的传热面；改善表面形状和粗糙度；兼顾整个热力系统能量合理应用的情况下，加大传热温差；减少传热热阻；选择最佳的流速，提高湍流脉动程度；在管外安放小的插入物，在管加旋转流动装置等以增强扰动。综合来看目前热交换器发展的总体趋势是：进一步提高紧凑度，降低耗材，提高传热效率。传热管元件出现了多样化形式，例如低翅片或低肋螺纹管，绕带或焊接的纵向翅片管；管外表面呈波纹型的螺旋波纹管，多头螺纹管，多孔管，L 型翅片管，锯齿状翅片管等。这些年来高效率换热元件虽有新的发展，但尚有不少新的工作要做，目前发展动向主要

19、表现是：1、 进一步开发新的高效换热元件，以适应不同领域各种场合的需要；2、 对现有换热元件进一步采用传热强化措施，使其换热特性更好的满足不同换热的需求；3、 对正在开发推广应用的热交换器进行深入研究，优化结构，缩小体积,减轻重量，节省金属，改善工艺，以期进一步提高换热效果，满足社会的广需要；4、 采用目前流行的计算机虚拟仿真技术（CFD），对换热器进行设计和研究。1.3 本课题的提出中冷器作为增压柴油机不可缺少的一部分，对柴油机的进气进行冷却，与涡轮增压器配合共同构成增压中冷系统。而增压中冷系统对柴油机的动力性、经济性和降低排放污染物具有巨大的贡献。在当今能源紧缺、注重环保的大前提下，对柴油

20、机中冷器的优化设计与其与柴油机的匹配研究就显得十分重要。1.4本课题的主要工作1、对柴油机增压中冷技术的应用背景、现状进行阐述；2、介绍CFD技术的发展现状与在柴油机开发设计中的应用；3、利用传统方法对中冷器进行设计计算；4、利用FLUENT软件对中冷器进行仿真设计、计算；5、FLUENT计算结果进行分析；6、对中冷器提出优化措施。第二章 柴油机中冷器简介柴油机中冷器本质上是热交换器的一种。它作为增压柴油机不可缺少的部分，对从增压器流出的压缩空气进行冷却，进而提高进入柴油机的新鲜空气的密度，增大柴油机的进气量，提高柴油机的功率，降低污染物的排放。在实际应用中，其类型和结构差别很大。2.1 柴油

21、机中冷器的类型、结构2.1.1 柴油机中冷器的类型柴油机中冷器的类型有很多分类，目前增压柴油机的中冷器大都采用错流外冷间壁式冷却方式。我们根据其冷却介质的不同，有水冷式和风冷式中冷器两大类10。1、水冷式中冷器水冷式中冷器就是用冷却水来冷却热的压缩空气，水冷式冷却的中冷器根据冷却水系的不同我们可以分为两种方式。（1）柴油机冷却系的冷却水冷却增压柴油机采用这种冷却方式不需要另设水路，结构非常简单。柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。（2）柴油机两套独立的冷却

22、水冷却这种柴油机中冷系统有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器的冷却。这种冷却方式冷却效果最好，因此在燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。2、风冷式中冷器风冷式中冷器是利用自然空气作为冷却介质来冷却热的压缩空气。风冷式冷却中冷器根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。用柴油机曲轴驱动风扇这种方式适用于汽车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用发动机的中冷器普遍采用这种方式。但是在低负荷时易出现过冷现象。压缩空气涡轮驱动风扇压缩空气涡轮驱动风扇这种中冷系统由压气机分出一

23、小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器，由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮做功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同的负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上也安装方便。2.1.2 柴油机中冷器的结构1、水冷式中冷器的结构目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管式结构。近几年由俄罗斯引进技术的冷轧翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、传热系数大等的优点，也开始受到重视。在柴油机增压中冷系统同得到了很大的认可和应用。管片式中冷器管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡铅焊焊

24、接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有叉排和顺排两种，水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线型等。其中圆管工艺性和可靠性较好，但空气的流通阻力较大，使空气压力损失较大。滴形和流线形管虽然空气阻力较少，但由于工艺性和可靠性差，目前很少使用。椭圆管与圆管和扁管相比，具有较高的传热系数和较少的空气阻力，其工艺性和可靠性不与圆管但优于扁管。冷轧翅片管式中冷器冷轧翅片管是由单金属管或硬外软的双金属管在专用扎机上扎制而成。通常，单金属管用紫铜或铝；双金属管的管用黄铜，外管用铝。双金属管在扎制过程中使用两种金属牢固的贴合在一起，几乎没有间隙，即使在长期振动工作条件下也不会脱开，

25、将翅片管用涨管法固定在端板上。整个加工过程不用焊接，不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。因此，冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触热阻少，传热系数高，工作可靠性好。其缺点是在同样体积下冷却表面积较少，空气阻力损失较大。2、风冷式中冷器结构风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气，由于热侧和冷侧换热介质均为空气，两侧的对流换热系数在同一数量级，因此两侧的换热面积应大致一样，风冷式中冷器的结构有扁管式、翅片式和管翅式几种。扁管式中冷器在扁管外围设有散热片，增压空气在管流动，冷却空气在管外流动。由于热气侧换热面积太小，使中冷器传热效率低，应用很少。应用较多的是板翅式和管翅式中冷器两种型式。板翅

26、式中冷器板翅式中冷器的结构是在厚 0.50.8mm 的薄金属板之间，钎焊由厚0.10.3mm 的薄金属板制成的翅片，两端以测限制板封焊。因各层翅片方向互错 90 度，两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。板翅式中冷器大多用铜和硅和金制造，它的结构简单，传热面积大，效率高。光直翅片换热系数和阻力损失都比较小，只用在对阻力要求特别严格的场合。为了增强气流的扰动，破坏边界层以强化传热，可以采用锯齿翅片或多孔翅片等翅片型式。其中锯齿翅片对促进流体的湍流，破坏热阻边界十分有效，传热系数比光直翅片高 30%以上。大多数中冷器都采用锯齿形翅片。管翅式中冷器管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展

27、而来，其热气侧通道是多孔的成型管材。与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材，简化了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊与工作振动中的脱焊所造成的接触热阻，提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道，难以采用绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。（3） 风冷式中冷器的构造和工作原理（以板翅式为例）191）基本单元图2-1 板翅单元 1隔板；2翅片；3封条如图2-1所示，隔板、翅片与封条三部分构成了板翅式热交换器的结构基本单元。冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片与与翅片连成一体的隔板进行热交换。因而，这样的结构基本单元体也就是进行热交换的基本单

28、元。将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。图2-2所示为常用的逆流、错逆、错逆流板束。一般情况下，从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发，板束顶部和底部还各留有若干层假翅片层(又称强度层或工艺层)。在板束两端配置适当的流体出入口封头，即可组成一台板翅式热交换器，如图2-3。图2-2 不同流型的板束通道1平板；2翅片；3封条；4分配段；5导流片；6封头；7板束；8封头；9封头图2-3 板翅式热交换器2）翅片的单元和形式翅片是板翅式热交换器的最基本元件。冷热流体之间的热交换大部分通过翅片，小部分直接通过隔板来进行。正常设计中，翅片传热面积大约为热

29、交换器总传热面积的6788。翅片与隔板之间的连接均为完善的钎焊，因此大部分热量传给翅片，通过隔板并由翅片传给冷流体。由于翅片传热不像隔板那样直接传热，故翅片又有“二次表面”之称。二次传热面一般比一次传热面的传热效率低。但是如果没有这些基本的翅片就成了无波纹的最简易的平板式热交换器了。美国加利福尼亚大学和埃姆兹航空实验室分别对没有翅片和有翅片的热交换器进行试验证明，有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了18以上。假如设计的翅片效率最低为70时，其重量可减少10。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用。尽管翅片和隔板材料都很薄，但由此构成的单元体的强度很高，能承受较高的压力。翅片的型

30、式很多，如：平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片等。以下介绍其中的几种常用型式：图2-4 常用翅片类型（a）平直翅片 （b）锯齿式翅片 （c）多孔翅片 （d）波纹翅片平直翅片 又称光滑翅片，是最基本的一种翅片。图2.4(a)所示为其中的一种。它可由薄金属片滚轧(或冲压)而成。平直翅片的特点是有很长的带光滑壁的长方形翅片，当流体在由此形成的流道中流动时、其传热特性和流动特性与流体在长的圆管中的传热和流动特性相似。这种翅片的主要作用是扩大传热面，但对于促进流体湍动的作用很少。相对于其他翅片，它的特点是换热系数和阻力系数都比较小，所以宜用于要求较小的流体阻力而其自

31、身传热性能又较好(如液侧或发生相变)的场合。此外，翅片的强度要高于其他类型的翅片。故在高原板翅式换热器中用得较多。锯齿翅片 它可以看作平直翅片被切成许多短小的片段，相互错开一定的间隔而形成的间断式翅片(图2-4(b)。这种翅片对促进流体的湍动，破坏热边界层十分有效。在压力损失一样的条件下，它的传热系数要比平直翅片高30以上，故有“高效能翅片”之称。锯齿形翅片传热性能随翅片切开长度而变化，切开长度越短，其传热性能越好，但压力降增加。在传热量一样的条件下，其压力损失比相应的平直翅片小。该种翅片普遍用于需要强化传热(尤其是气侧)的场合。多孔翅片 它是在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而成的(图2.4(c

32、)。多孔翅片开孔率一段在510之间，孔径与孔距无一定关系。孔的排列有长方形、平行四边形和正三角形二种，我国目前采用的多孔翅片，孔径为215、917，孔距为65mm、325mm正三角形排列。翅片上的孔使传热边界层不断破裂、更新，提高了传热效果。它在雷诺数比较大的围(10一10)具有比平直翅片高的换热泵效，但在高雷诺效围会出现吸音和振动。翅片上开孔能使流体在翅片中分布更加均匀，这对于流体中杂质颗粒的冲刷排除是有利的。多孔翅片主要用于导流片与流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。波纹翅片 它的结构示于团2.4(d)上。它是在平直翅片上压成一定的波形(如人字形，所以又称人字形翅片)，使得流体在弯曲流道中不断

33、改变流动方向，以促进流体的湍动，分离或破坏热边界层。其效果相当于翅片的折断，波纹愈密，波幅愈大，其传热性能就愈好。我国常用的组片有平直、多孔和锯齿形翅片三种，并用汉语拼音符号和数字统一表示翅片的型式与几何参数。如65PZ2103，则表示PZ平直翅片，656.5mm翅高，212.1mm节距，030.3mm翅厚。如是多孔形，则为DK，锯齿形则为JC，几何参数表示法一样。(3)封条封条作用是使流体在单元体的流适中流动而不向两侧外流。它的上下面均具有0.15mm的斜度，以便在组成板束时形成缝隙，利于钎剂渗透。它的结构形式很多最常用的为如图2-5所示的燕尾形、燕尾槽形、矩形三种. 图2-5 封条形式图2

34、-6 导流片与封头图2-7 导流片布置的几种形式(4)导流片和封头为了便于把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到封头中，一般在翅片的两端均设有导流片。导流片也起保护较薄的翅片在制造时不受损坏和避免通道被钎剂堵塞的作用。它的结构与多孔翅片一样，但其翅距、翅厚和小孔直径比多孔翅片大。封头的作用就是集聚流体，使板束与工艺管道连接起来。导流片与封头的示意图如图2-6。根据各种结构型式的板翅式热交换器，导流片可布置成如图2-7所示的几种型式。图中I型主要是由于在热交换器的端部有两个以上的封头，因此要用导流片把流体引导到端部一侧的封头。型布置是由于在热交换器端部有三个以上的封头，需要把一股流体引导到中间

35、封头。型布置主要是用于热交换器端部敞开或仅有一个封头情况下。型是为了满足把封头布置于两侧而设计的。V型布置是为满足管路布置需要而采用的。应注意到设置导流片并不一定能完全克服流体在流道分配不均匀的问题，因为分配是否均匀还与流体的状态有关。(5)隔板与盖板隔板材料是在母体金属(铝锰金属)表面覆盖一层厚约0.10.4mm，含硅512的钎料合金。所以又称金属复合板，在钎焊时合金熔化而使翅片与金属平板焊接成整体。为了钎焊方便，可将钎料轧制成薄片再用机械方法布覆于铝材表面，成为一种钎焊用复合板即双金属复合板。隔板厚度一般为l2mm，最簿为0.36mm。板翅式热交换器板束最外侧的板称为盖板，它除承受压力外还

36、起保护作用，所以它的厚度一般为56mm。它与翅片的焊接多数采用板下加焊片的方法，焊片厚度与隔板复合层一样。(4)流道的布置形式 按运行工况要求可将流体布置成逆流、顺流、错流、错逆流(或称多程流)等多种形式。逆流 在板翅式热交换器中实现逆流有三种型式(图2.8)。其中，逆流1、2型(图2.8的上、中两图)为两种流体的逆流布置，而3型(下图)为多达五种流体的逆流布置。逆流形式用得最普遍。图2-8逆流布置示意图顺流 如图2-9所示，这种流动形式应用较少，主要用在加热时需要避免流体被加热(或冷却)到高(或低)于某一规定温度的场合。错流 如图2-10所示，也是最基本的一种布置方式。从传热上考虑这种布置并

37、无突出优点，但它常能使热交换器布置合理而被采用。空分装置中将它用于一侧相变或温度变化很小的场合。混流 在一个热交换器中，某些流体间是错流，而另外一些流体间是逆流它的最大优点是能同时处理几种流体的热交换并合理分配各种流体的传热面积。采用这种形式可以将几个热交换器并成一个，使设备的布置更加紧凑，生产操作更方便，使热(冷)量损失减少到最小程度但它制造比较困难。在石化、气体分离设备中被大量地采用。 图2-9 顺流布置示意图图2-10 错流布置示意图 图2-11 错逆流布置示意图2.2柴油机中冷器的选型原则目前用于车用柴油发动机的气-气中冷器主要有管翅式和板翅式两种中冷器。其选型原则主要有：1、 结构简

38、单、紧凑；2、 工作可靠、成本低；3、 提高中冷器的换热能力4、 减少中冷器的流动阻力，以减少中冷器的动力损失；5、 体积小，重量轻；6、 经济性好；第三章中冷器的设计计算中冷器的设计计算一般是根据使用要求,对于已设计好的中冷器进行校核计算，如不能满足要求,则重新进行设计。计算时根据所校核的参数不同分为两种情况：其一,主要校核散热面积能否满足设计要求,这种情况下具体计算时通常采用对数平均温差法；其二,主要校核增压空气和冷却介质在中冷器出口的温度是否在使用要求的围,此时通常采用效率(E)传热单元数(NTU)法以上两种情况还均需校核增压空气和冷却介质的流动损失等参数。3.1 云4102QBZL柴油

39、发动机中冷器选型3.1.1发动机基本参数与环境参数本论文以云4102QBZL型增压中冷柴油机为设计对象，首先查阅发动机参数以与工作环境参数，为中冷器的选型以与第三节中冷器的设计做准备。参数见下表：表3-1云4102QBZL型增压中冷柴油机基本参数型式立式、直列、水冷、四冲程、增压中冷缸数缸径X行程(mm)4102X115气缸套形式湿式燃烧室型式直喷w型燃烧室活塞总排量(L)3.76进气方式涡轮增压、进气中冷最低空载稳定转速(r/min)750压缩比17：1标定功率/转速(kw/r/min)85/3200最低燃油消耗率(g/kw.h)217最大扭矩/转速(N.m/r/min)320/180020

40、00冷却方式发动机强制循环水冷式中冷器空空冷却排放欧由发动机的基本参数通过简单运算得到的已知条件和指标1，如表3-2所示。表3-2 通过发动机的给定参数计算出部分简单参数要计算的数据 计算结果标定功率 Pe=85 kw 标定转速 n=3200 r/min 缸径 D=0.102m 行程 S=0.115m 平均有效压力 pme=1.21 Mpa 活塞平均速度 vm=10.73 m/s 有效油耗率 be=0.2 /kw.h 涡轮前排气温度 =477 高速柴油机（400-500 ）设定增压柴油机工作的环境压力为一个大气压力，环境工作温度为30（假设时使增压柴油机处于一个较高的环境温度下）涡论的背压比环

41、境压力稍高，中冷后的空气温度根据文献一般中冷高速四冲程柴油机进气管温度为（40-60）。气缸的空气充气系数根据文献增压高速四冲程柴油机（0.9-1.0），充气系数与扫气系数的乘积约为1.0。具体数据参看下表3-3表3-3发动机环境参数 环境参数 结果与单位 大气压力 P=0.101Mpa 大气温度 T=303K 涡轮后背压 P=0.100Mpa 中冷后空气温度 T=323K 一般有中冷高速四冲程柴油机进气管温度为（40-60） 气缸充气系数 =1.00 增压高速四冲程柴油机 （0.9-1.0） 1.00 高速车用柴油机一般约1.003.1.2云4102QBZL中冷器的选型对于中冷器，若采用空-

42、空中冷系统，机械驱动风扇的型式可用于难于得到温度较低的冷却水的场合。由于冷却空气的温度较低，故冷却效果好，增压空气的温度可冷却到 50-60。但由于空气的传热系数比水低得多，空-空中冷器的体积要比水-空冷却器大些。在车辆上布置时，常将空-空中冷器直接布置在发动机冷却水箱的前面。用轮缘空气涡轮风扇冷却的空-空中冷器与前一种的区别在于从涡轮增压器压气机一端引出一部分压缩空气流经轮缘涡轮驱动风扇以冷却空-空中冷器。引出的空气量约为流经压气机流量的 5-10%。这种系统的优点在于不需要额外消耗风扇功率且冷却空气流量的增加与发动机流量相适应，但却增加了匹配的复杂程度。水-空中冷又分为利用发动机循环水和独

43、立的循环水系统两种。前者的优点是装置简单，车用发动机一般只能采用这种系统。缺点是发动机循环水本身温度就高（90），故增压空气只能冷却到 100110。而后者正相反，由于可利用温度较低的冷却水，故增压空气的冷却效果好，但需要设置独立的冷却系统，故它只能使用于固定式或船用发动机。由于采用空-空中冷器发动机进气温度低，故相应的排气温度也低，耗油率和烟度也均比水-空中冷器时要好得多。但是空-空中冷器的体积、阻力损失和成本都要稍高些。比较起来，空-空中冷系统具有很大的发展潜力，特别对采用高温冷却的车用发动机来说，更应优先考虑采用空-空中冷器。而空-空中冷器作为一种热交换器，其结构形式很多。但最常用的是板

44、翅式和管翅式中冷器两种。二者比较，板翅式中冷器的紧凑型好，即在一样的体积条件下气散热面积大，但其阻力损失要比管翅式中冷器大些。在车用发动机上由于对外形尺寸要求严格，故一般采用板翅式中冷器。但管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来，其热气侧通道是多孔的成型管材。与板翅式相比，它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材，简化了工艺，避免了翅片和隔板之间的虚焊与工作振动中的脱焊所造成的接触热阻，提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道，难以采用绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。管翅式中冷器为了增强气流的扰动，减小在边界层中的传热阻力以加强放热，翅片可以制成各种形式，

45、有光直翅片、锯齿翅片、多空翅片和波纹翅片等。其中光直翅片的传热系数和阻力系数都比较小，只用在阻力要求特别严格的情况下；锯齿翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边界十分有效。据有关资料介绍，在一样压降条件下，锯齿型翅片的传热系数比光直翅片高 30%以上。多数中冷器采用锯齿型翅片。多孔翅片和波纹翅片是在锯齿翅片的基础上进行的改进设计，具有更加突出的传热效果。管翅式中冷器大多数采用铜或铝合金制造。同具有良好的导热性、耐腐蚀和焊接性能，但铜是重要的战略物资且价格昂贵，故一般应避免采用。铝由于有良好的物理机械性能和耐腐性，价格便宜，来源充足，作为铜的替代材料是适合的，因此在中冷器上得到了广泛的应用。对于410

46、2QBZL柴油发动机，考虑到提高动力性、经济性和排放的要求，且综合以上中冷器选配要求和具体安装特点、要求，选择机械驱动风扇型空-空中冷系统且中冷器选择波纹翅片、管翅式中冷器（材料为铝）最为适合。其合理性如下：(1) 空-空中冷系统的排气温度较低，耗油率和烟度也均比水-空气中冷时要好得多；(2) 机械驱动风扇的型式结构简单，经济且不需要消耗柴油机热效率；(3) 管翅式中冷器易于满足车用发动机安装空间的需要；(4) 波纹翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边界十分有效。且结构相对简单，易于加工生产；(5) 选择铝作为材料，既能满足需要也能降低成本，有利于企业竞争力提升；(6) 有利于将中冷器置于发动机冷

47、却水箱前端，满足车用发动机布置要求；(7) 结构紧凑，冷却效果好。这种型式的选择，从长期积累的经验规则上满足了车用柴油发动机对中冷器的结构、尺寸、换热效果和经济性等各项要求，是各种方案中的最优解。这种中冷器的散热单元如图3-13：图3-1中冷器散热芯片3.2 原始数据中冷器型式：空-空中冷系统，管翅式中冷器波纹形翅片（材料为铝）假定中冷器原始参数：= 1 * GB3增压空气流量：qmb=0.22 /s (其中qmb=)中冷器进口空气压力：pb=0.20 MPa中冷器进口空气温度：Tb=120=393K中冷器出口空气温度：Ts=50=323K冷却空气流量：qmw=0.66 /s冷却空气进口温度：

48、Twf=30=303K增压空气压力损失容许值8pb=3000 (Pa) 冷却空气压力损失容许值8=3000 (Pa) 增压空气比热容 Cpb=1009 (J/kgK) 冷却介质比热容 Cpa=1002 (J/kgK) 33 几何结构尺寸确定和计算：采用管翅式中冷器，型芯长宽厚为67041665查阅文献选用尺寸参数为以下214：翅片基本参数（单位：）如表3-4 几何参数 冷气侧 增压空气侧 H-翅片高 8 61-翅片厚 0.4 0.22-隔板厚度 0.6 0.6 S-翅片间距 4 3.5x-翅距（x=S-1） 3.6 3.3y-翅高（y=H-1） 7.6 5.8 B-单位有效宽度 670 65L

49、e-但未有效长度 65 670热气侧层数为n，则有：6n+8(n+1)+25=416 得n=28 即：增压空气侧为28层，冷气侧为29层 （其中上下隔板厚度为5毫米）（1）当量直径de： 冷空气侧：dew=4A/U=4xy/(x+y)=4.886 增压空气侧：deb=4.207 （2） 通道的自由流通面积F:对于每层单元，通道的自由流通面积Fi 冷空气侧：Fiw=0.0046 增压空气侧：Fib=0.00036 对于n层单元，通道的自由流通面积F 冷空气侧：Fw=0.1334 增压空气侧：Fb=0.01（3） 传热面积A: n层通道的总传热面积A=2(x+y) 冷气侧Aw=7.07 增压空气侧

50、Ab=6.34 n层通道的第一传热面积A1=Ax/(x+y) 冷气侧： A1w=2.27 增压空气侧：A1b=2.3 n层通道的第二传热面积A2=Ay/(x+y) 冷气侧： A2w=4.8 增压空气侧：A2b=4.04 （第一次传热面积F1:指隔板表面的传热面积 第二次传热面积F2:指翅片表面的传热面积）3.4 传热系数计算(1) 中冷器换热量 Q=qmbCpb(Tb-Ts)=0.221.00870=15.52 KJ/S冷却空气的出口温度：Tw2=Tw1+=326 K冷却空气的平均温度：Twm=(Tw1+Tw2)/2=314.5 K增压空气的平均温度：Tbm=(Tb+Ts)/2=358 K增压

51、空气和冷却空气的对流平均温差TnTn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1)=39.2K冷却效率：78%(2) 平均温度下冷却空气和增压空气的热物理性质如表3-6：参数 密度 热导率 运动粘度 普朗特殊Pr 比定压热容(/m3) （w/m.k） （/s） Cp(KJ/.K) 冷却空气 1.180 2.6510-2 15.810-6 0.702 1.000增压空气 0.96 3.0410-2 10.510-6 0.675 1.007(3) 计算冷却空气测的对流换热系数 冷却空气流速：Cw=qmw/Fw=3/0.1339=22.49 m/s冷却空气通道当量直径:

52、Dew=(n+1)dew=0.14 m冷却空气的雷诺数:ReW=22.490.1415.810-6=1.99105冷却空气的努塞尔数:Nuw=0.023Rew0.8Prw0.4=0.0231990000.80.7020.4=28.98 冷却空气侧的对流换热系数:hw= Nuww/Dew=28.890.02650.14=65 w/(m2k) (4) 计算增压空气侧的对流换热系数增压空气通道当量直径:Deb=ndeb=0.12 m增压空气的流速: Cb=qmb/Fb=0.220.01=22 m/s增压空气的雷诺数: Rea=CbDeb/b=220.1210.510-6=2.4105增压空气的努尔特

53、数:Nub=0.023Rea0.8Pra0.4=0.0232440000.80.6750.3=417.89增压空气侧的对流换热系数:hb= Nubb/Deb=417.890.03040.12=106 w/(m2k)(5) 热阻计算 增压空气侧污垢热阻 R1=0.00035 K/W 冷却空气侧污垢热阻 R2=0.00035 K/W 散热片焊接处接触热阻 R3=0.0001 K/W 导热热阻 R4=Ab2/(Aw)=(6.340.6)（7.07140）=0.0038K/W式中，2为冷热两侧间壁厚度；为材料热导率（此处材料为铝合金）(6) 中冷器传热系数=+R1+R2+R3+R4+=1106+0.0

54、0035+0.00035+0.0001+0.0038+ (16.34)(657.07) 得K=36 w/(m2k)3.5 用对数平均温差法校核散热面积(1)增压空气和冷却空气的对流平均温差Tn：Tn =(Tb-Tw2)-(Ts-Tw1)ln(Tb-Tw2)/(Ts-Tw1)=(393-326)-(323-303)ln(393-326)(323-303)=39.2K(2) 所需散热面积: Ac=Q/(KTn)=15.52（3644.9）=11 因为 1113.41,即所需散热面积大于实际散热面积，所以所设计的中冷器符合使用要求。3.6 用效能()传热单元数(NTU)法校核增压空气出口温度 （1）

55、热容比为=（qmCp）min/( qmCp)max式中，（qmCp）min为qmbCpb和qmwCpw中的较小者，( qmCp)max为两者中的较大者。qmbCpb=0.221007=220；qmwCpw=0.661000=660所以 =220660=0.33 （2）传热单元数为 NTU=KAb/( qmCp)min=366.34220=1.037 （3）效能=1-exp-（/n）exp-NTU（n-1）=0.8n=NTU-0.22=0.99 （4）增压空气出口温度 Ts=Tb-（）=321 K 冷却介质出口温度 Tw2=Tw1+ （qmbCpb）/(qmwCpw) (Tb-TS)=326.7

56、 K 因为321 K小于原始参数323 K,所以在设计要求围。3.7 压力损失校核热交换器芯子中的阻力它主要由传热面形状的改变而产生的阻力和摩擦里组成，该阻力损失直接影响增压柴油机进气压力状况，为了柴油机正常工作次损失压力必须小于容许损失的压力值。 （1）冷却介质的压力损失pw=w(+1.4)=1.18(+1.4)=420 Pa 因为420 Pa小于所选取参数规定的3000 Pa，所以冷却空气侧压力损失符合要求 （2）增压空气的压力损失pb=b(+1.4)=0.96(+1.4)=680 Pa 因为680 Pa小于所选取参数规定的3000 Pa，所以增压空气侧压力损失符合要求。3.8 中冷器外部

57、结构确定3.8.1冷空气和增压空气封条冷空气与增压空气封条上是为了分割，密封流道。截面形状采用燕尾形，封条上下面向两侧有0.15mm的斜度，为了与平板组成板束时，形成楔形缝隙，便于钎焊焊料的渗入。其尺寸分别有冷空气翅片与增压空气翅片决定。冷空气封条长65mm厚度8mm宽度10mm。如图3-2所示。图3-2 冷空气封条尺寸增压空气封条长670mm厚度6mm宽度5 mm。如图3-3所示图3-3 增压空气封条尺寸3.8.2 平板平板的作用在于分割并形成流道同时承受压力隔板尚有一次传热作用，故其厚度应在满足条件下尽可能的减薄。隔板厚度一般为12mm，最薄的有0.36mm。其长度与宽度尺寸有翅片和封条决

58、定。翅片长为670 mm两边封条常为10mm，平板的长为690 mm，翅片宽与封条和为平板宽65 mm。如图3-4所示。图3-4 平板尺寸3.8.3 导流片导流片的作用是引导进口流经板束的流体使之均匀的分布于流道之中。其结构尺寸由中冷器芯子与封头决定。导流片的长416 mm，宽65 mm；导流片的高即封头深15mm；增压空气流道5.2mm（增压流道3.2mm与平板厚之和决定），为了使增压空气最大可能流入流道；冷空气封条上层设置为直径6.5mm的半圆（即增压空气封条厚度）如图3-5 所示。图3-5 导流片的结构尺寸3.8.4 增压空气封头增压空气封头的作用是为了把增压空气引导或汇集。其结构尺寸根

59、据中冷器的工作空间位置决定。空间位置决定中冷器封头不能太高为了能安放到汽车里这里选择其高度为105 mm,部长宽由中冷器芯子决定65 mm,416 mm。外面的7个螺栓孔是用于和增压封头接管连接的。如图3-6所示。图3-6 增压空气封头3.8.5 增压空气封头接管增压空封头接管时连接和密封增压空气封头与中冷器芯子的中介，其结构尺寸有中冷器芯子，封头与空间位置决定。接管的部尺寸由芯子决定其长宽分别为65 mm，416 mm,部凸台是为了便于连接和密封。侧面的两个直径为6mm的螺栓孔是为了紧固与调整装配间隙。图3-7 增压空气封头接管3.8.6 中冷器芯体图中冷器芯子是有翅片，平板，封条，钎焊而成

60、。芯子是由29个冷空气翅片，28个增压空气翅片与58个平板钎焊而成。其长为690mm,宽为416mm。厚度为65mm。如图3-8所示。图3-8 芯体图3.8.7 中冷器连接 芯体，芯体两侧分别设有进气室和出气室，进气室上设有进气口，出气室上设有出气口；进气室上侧和下侧以与出气室上下侧各焊有一个支架，支架上设有螺栓孔。支架将中冷器总成固定于发动机上，支架与散热器通过螺栓、弹簧垫圈连接固定，然后用两个卡箍把进气口和出气口连接到连接胶管上以实现可靠连接。第四章CFD技术现状与应用CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数