U型管壳式EGR冷却器流动传热及结构优化研究

发布时间：2020-06-13 14:20

【摘要】：近年来,汽车行业的迅速发展,使汽车排放的污染物成为了环境污染的主要源头之一。随着能源危机和空气污染问题的日益严重,汽车排放法规也变得越来越严苛。废气再循环技术(EGR)可以有效降低内燃机NOx排放,同时也会对内燃机的动力性、燃油经济性和颗粒物排放带来不同程度的影响。EGR冷却器的换热效果对EGR系统有着至关重要的作用。EGR冷却器内由于温度分布不均匀引起的热应力是导致EGR冷却器结构失效的重要原因。因此,本文以某款2.0L柴油机废气再循环系统中的冷却器为研究对象,对其进行流动传热及结构优化具有重要工程应用价值。本文基于某款新U型管壳式EGR冷却器,建立了该U型管壳式EGR冷却器的三维模型,并以此模型为基础,对螺纹管的螺纹间距、螺纹宽度和螺纹深度这三个螺纹管关键结构参数分别设置5个变量水平,并分析这几个变量所带来的网格数量,换热面的的变化。然后在有限元分析软件ANSYS中建立了仿真模拟分析平台,针对不同的模型进行了模拟计算,分析了基础模型的温度场、压力场和速度场,并将结果与实验台架中的温度和压降数据进行对比,换热偏差1.56%,压降偏差3.56%,在工程计算允许范围内,验证仿真模拟的可行性。探究了螺纹管螺纹间距、螺纹宽度和螺纹深度对冷却器换热及压降特性的影响。其中螺纹间距、螺纹深度、螺纹宽度对冷却器换热特性影响逐渐减小。后续分别对该EGR冷却器壳程和管程进行结构优化,在壳程加入弓形折流板,在管程内插扭带,来强化换热。探讨了折流板数量对冷却器的内部温度场、压力场和速度场的影响,并对折流板数量所带来的换热和压降效果进行了分析,适量加入折流板可改善壳程内温度密集区域。在内插扭带方面,对扭带的长度、宽度以及节距这三个关键结构参数进行了变化,每个参数设置5个变量水平,并对这些模型进行仿真模拟,比较了内插扭带前后所带来的换热和压降特性的变化,显示了内插扭带的显著效果。当插入扭带原型,在最大气体流量下,出气口温度降低了34.87℃,换热效率提高7.98%,出气口压降降低了0.054kPa,压降阻力降低0.32%。最后分别探讨了扭带的长度、宽度以及节距对换热和压降特性所带来的影响。其中扭带长度、扭带节距、扭带宽度对冷却器换热特性影响逐渐减小。本文的研究内容可以为今后汽车EGR冷却器的换热和压降特性分析及冷却器的设计生产提供一定的参考价值,且仿真模拟方法同样可用于其他冷却器的模拟计算。本文所建立的测试系统验证了仿真模拟方法的可行性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124;U464.138

【参考文献】