题目
柴油机增压中冷器数值模拟设计
摘
讲述中冷器类型结构中介绍高效换热器板翅式换热器结构原理东风柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压温度空气质量流量增压计算出增压空气中冷器处进口流量进口温度然根风扇产生冷空气流量环境温度中冷器出口温度计算出中冷器需散失热量确定中冷器传热系数时压力损失增压温度散热面积进行校核软件绘制出设计中冷器零件图利CFD商业软件Fluent中前置处理器Gambit该中冷器网格划分边界条件定义导入Fluent进行边界条件设定模拟计算结果分析确定中冷器优化方优化措施
关键词：CFD技术柴油机冷器数值模拟设计
ABSTRACT
The article introduces the structure theory of High Efficiency Heat and Platefin Heat Exchange by elaborating the types and structures of the Int Simultaneously it estimates the temperature of Don9 ChaochaiY4100ZLQ turbo engine aft pressurization air mass flow rate and pressure ratio and calculates the inlet flow and inlet temperature through the pressurized air in the Inter Then according to the air flow generated by the fan the environment temperature and the outlet temperature of the Int it calculates the dissipating heat of the Int and then determines the heat transfer coefficient of the Inter The third is to check the loss of the hydraulic pressure boosted temperature and the area of heat dissipation The fourth part is to draw the map of the designed parts of the by software using the front processor Gambit of Fluent one of the CFD commercial software meshes the Int and defines the boundary conditions and then sets the boundary conditions by input into the Fluent software simulation calculation and result analysis Finally it determines the optimization direction and measures of the Inter
Keywords CFD technology Diesel engine Cooler numerical simulation design
目 录
诚信声明………………………………………………………………………Ⅰ
摘……………………………………Ⅱ
Abstract…………………………………………………………………………Ⅲ
第章 前言……2
第二章 柴油机中冷器简介3
21 柴油机中冷器类型结构4
22 柴油机中冷器类型5
23 柴油机中冷器结构6
第三章 中冷器计算7
31中冷器结构参数工况8
32 中冷器参数计算9
321中冷胎冷侧散热面积F计算10
322发动机求热侧空气流11
323中冷器迎风面积12
第四章 柴油机中冷器CFD模拟优化13
41 CFD 技术翅式换热器设计开发方面优越性14
42翅式中冷器 CFD 设计15
421 中冷器建模16
422 网格划分17
43 结果分析18
结19
参考文献20
致谢21
附录A22
第章 前 言
着汽车节环保政策法规深入推行发动机清洁燃烧尾气净化技术断进步中增压中冷技术逐渐成业界热点． 社会发展汽车等行业飞速发展燃机社会保量断增加排放威胁类身体健康越越受关注口十分密集城市汽车排放类带危害世界国相继推出日益严格排放法规控制汽车尾气气环境污染特哥哈根会议汽车排放求更加严格满足新排放法规求发动机够降低排放污染物提出种方案中涡轮增压器加器（增压中冷系统）方案方面进步提高燃机进气气体密度提高燃机功率输出方面降低燃机压缩始点温度整循环均温度降低燃机排气温度热负荷NOx排放图11
图11 涡轮增压中冷系统
增压柴油机高进气增压压力总需冷助推器作提高发动机进气密度增加燃油喷射提高均效压力着压力增加率压缩机出口空气温度较高某种程度限制气体密度增加冷温度柴油机燃烧程排放性产生重影响进口恒定位移柴油机质量增加情况增加输出功率通合理匹配设计目效改善燃机排放性着压强增加入口温度显著增长阻碍进步改善燃机性
实验结果表明相空燃条件增压空气温度降10摄氏度密度约增3空气燃烧消耗率保持变时柴油机输出功率提高3～5仅柴油机效率着增压空气温度降升时降低排放中污染物改善发动机低速性增压柴油机中通常采中间冷技术(简称中冷技术)提高发动机功率降低发动机热负荷排气温度达降低增压柴油机排放降低目 综合中冷器必性
（1）增加功率
（2）减少燃油消耗
（3）减少热负荷
（4）减少粉尘
（5）减少NOx排放
（6）国家法律求
（7）减少爆震（点火发动机）
增压中冷系统应特汽车柴油机领域越越轻型汽车中冷器压缩空气进入气缸冷装置前涡轮增压柴油机正常运行缺部分解机器结构设计冷效率研究研究方法成非常重话题中冷柴油发动机道设计原
（1）减少方改变中冷系统路布置简洁
（2）路应设固定装置
（3）橡胶弯头改变方会高压进气吹脱落 柴油机中冷器设计求：
（1）结构简单紧凑
（2）工作成低
（3）提高中冷器换热力
（4）减少中冷器流动阻力减少中冷器动力损失
第二章 柴油机中冷器简介
柴油机中冷器质热交换器种提高增压柴油机新鲜空气密度压缩空气进行冷增压柴油机缺少部分提高柴油机功率增柴油机进气量降低污染物排放实际应中类型结构差
21柴油机中冷器类型结构
211柴油机中冷器类型
中冷柴油发动机设备类型分类台涡轮增压中冷柴油机目前错流寒冷室外壁冷方式根冷介质水冷风冷中冷机两类
1水冷式冷机冷水冷热压缩空气冷水冷冷机冷水系统根方式分两种
（1）柴油机冷系统冷水冷增压柴油机需设置水冷模式结构简单柴油机冷水温度较高低负载压缩空气加热提高低负荷燃烧性高负载压缩空气冷效果较差种方法c涡轮增压中冷柴油发动机
（2）两套独立冷水冷中冷柴油发动机系统两套独立冷水系统高温冷水系统冷机低温冷水系统冷设备中冷油冷器种冷方式冷效果燃机广泛应汽车海洋固定柴油发动机
2冷空气冷单元中冷中冷装置利然空气冷介质冷热压缩空气气冷式冷中冷装置根驱动冷风扇功率分两种方式
（1） 柴油机曲轴适汽车柴油发动机驱动风扇面前冷机组冷水箱冷风扇汽车柴油发动机曲轴风寒冷冷水箱汽车发动机中冷通常种方法冷发生低负载
（2） 压缩空气涡轮风扇压缩空气涡轮风扇中冷系统压缩机发出空气涡轮涡轮驱动风扇冷中冷分发器限驾驶涡轮气流涡轮做功越少风扇提供冷空气体积较显然冷效果较差增压压力负载变化冷方式冷风量负载变化低负载时风量高负荷时风量利负荷燃烧性尺寸车里安装方便
212柴油机中冷器结构
1水冷结构寒流广泛水冷中冷板结构板中冷器许位置层散热器冷水锡焊堆焊焊接起俄罗斯进口冷轧翅片冷技术性优点传热系数开始受重视增压中冷柴油机系统识应
（1） 片式中冷器
板中冷许位置层散热器锡铅焊料焊接起冷水散热器制造铜铜排列叉行行两种道横截面形状圆形椭圆形扁形状流线型降etcPipe具良工艺性性空气流动阻力空气压力损失更形状流线型降空气阻力越少工艺性性差现少椭圆扁相具较高传热系数减少空气阻力工艺性性圆优面
（2） 冷轧翅片式中冷器
冷轧翅片金属板硬外软致力陷入双金属球场通常铜铝钣金工作工作黄铜铝双金属外工作双金属道两种金属铜程中固体联合起没差距振动条件长期工作会释放翅片方法固定端板整程没焊接没虚拟拆焊焊接工作长期振动现象优势冷轧翅片冷阱较少接触热阻高传热系数良工作性缺点样体积冷面积少空气阻力损失更冷轧翅片结构图21
图21冷轧翅片结构
2 风冷中冷装置增压空气冷高温空气热端冷端热传递介质空气两侧流传热系数数量级应该致相两边传热面积结构风冷中冷扁翅片式热交换器冷散热器扁压缩空气流冷空气外流动热端换热面积太心脏传热效率低少应程序更翅片翅式中冷两种类型
（1） 板翅式中冷器
板式换热器中冷结构间05 08毫米厚金属板钎焊01 03毫米厚薄金属板制成鳍密封板两端极限鳍层方错90度两方鳍分形成两种通道错流传热介质翅片类型感铜硅黄金结构简单传热面积效率高光直翅片传热系数阻力损失特殊场合严格阻力提高空气扰动破坏边界层加强传热锯齿形翅片穿孔鳍翅片类型等锯齿状鳍促进流体湍流破坏效热阻边界传热系数高光直鳍30部分冷锯齿形翅片
（2） 翅式中冷器
翅式结构翅基础发展热侧通道孔形成板式换热器相优点热面成型简化程避免壁鳍虚拟焊接工作振动间脱焊造成接触热阻提高传热效率工作性缺点热面连续光通道难采取措施绕流目前换热器中冷装置越越应
（3） 风冷式中冷器构造工作原理（板翅式例）
图22示板翅式热交换器结构基单元
1） 冷热流体相邻流动基流道中流动成体通换热翅片翅片板种结构基单位热传导基单位根流体流动模式样单位细胞布局叠加钎焊翅片换热器板梁身体身体核心般说强度保温制造程需求顶部底部板梁许虚假翅片层(称强度层程)板梁两端通适流体入口形成台板翅片换热器
2） 翅片换热器翅片基元素部分冷热流体间热交换通鳍部分直接通分区正常设计翅片传热面积约67总换热器传热面积~ 88翅片隔膜间联系完美钎焊部分热翅通隔膜冷流体鳍翅片传热换热分区直接鳍绰号第二表面
二次传热表面通常低传热传热效率果没基翅简单数波纹板式换热器空气加州学艾姆斯实验室分没鳍翅片换热器实验证明鳍没翅片式换热器体积减少18果设计翅片效率70低重量减少10鳍外承担务传热两分区加强中扮演重角色然鳍隔膜材料薄强度单位细胞构成非常高承受高压
翅片型式介绍中种常型式：
①直翅片 称光滑翅片基种翅片光滑翅片薄金属片滚轧压成直翅片带光滑壁长长方形翅片特点流体形成流道中流动传热流动特性长圆中传热流动特性相似种翅片作扩传热面促进流体湍动作少相翅片特点换热系数阻力系数较宜求较流体阻力身传热性较(液侧发生相变)场合外翅片强度高类型翅片高原板翅式换热器中较
②锯齿翅片 视翅片切成许块交错形成定期间歇类型鳍种翅促进流体湍流破坏热边界层非常效压力损失相条件直翅片传热系数高30高效翅片说法锯齿形翅片传热性翅片切开长度变化切开长度越短传热性越压力降增加传热量相条件压力损失相应直翅片该种翅片普遍需强化传热(尤气侧)场合
③孔翅片 直翅片出许圆孔方孔成孔翅片开孔率段5％～10％间孔径孔距定关系孔排列长方形行四边形正三角形二种国目前采孔翅片孔径Φ2．15Φ91．7孔距6．5mm3．25mm正三角形排列翅片孔传热边界层断破裂更新提高传热效果高雷诺效范围会出现振动雷诺数较范围具直翅片高换热泵效翅片开孔流体翅片中分布更加均匀流体中杂质颗粒刷排利孔翅片导流片流体中夹杂颗粒相变换热场合
④波纹翅片 波纹翅片直翅片压成定波形流体流道中直改变流动方便促进流体湍动分离效果相翅片折断波纹愈密波幅愈传热性
愈国常组片直孔锯齿形翅片三种汉语拼音符号数字统表示翅片型式参数70PZ2103表示PZ——直翅片70——65mm翅高21——21mm节距03——03mm翅厚孔形DK锯齿形JC参数表示法相
（3）导流片封头
便流体均匀引导翅片流道中汇集封头中般翅片两端均设导流片导流片起保护较薄翅片作较薄翅片制造时受损坏避免通道堵塞作翅距翅厚孔直径孔翅片结构孔翅片相封头作板束工艺道连接起集聚流体导流片封头示意图图26
根种结构型式板翅热交换器导流片图27示图中I型热交换器端部两封头导流片流体引导端部侧封头Ⅱ型布置热交换器端部三封头需股流体引导中间封头Ⅲ型布置热交换器端部敞开仅封头情况Ⅳ型满足封头布置两侧设计V型布置满足路布置需采应注意设置导流片定完全克服流体流道分配均匀问题分配否均匀流体状态关
第三章 中冷器设计计算
31中冷器结构参数状况
根发动机求初选中冷结构工况表1
表1中冷器结构型式工况
中冷器结构形式
带式
芯子尺寸：宽×高×厚(mm)
610×840×65
数
43
冷宽×高×厚(mm)
6×62×07
散热带
44
进出气室口径
90
两气室口距离（mm)
630
散热带置流片
波距×波高×宽×厚(mm)
45×8×65×013
热风进温度（℃）
150
热风出温度（℃）
50
热空气流量（LS）
375
冷风进温度（℃）
25
迎风面积（ms）
15
32中冷器参数计算
321中冷胎冷侧散热面积F计算：
S1Su×i14912m2
S2Si2×i218066m2
FS1+S222978
式中Su单根冷散热面积m2（表1求出）il冷根致SI冷散热面积m2S2散热带散热面积m2 S2单根散热带散热面积m2i2散热带根数
322发动机求热侧空气流
G1264kgmin044kgs
体积流量：
V0375m3s
SgSg1×i1471m2
理
SW21355mm2
S3SgSW469m2
式中Sg冷通道面积m2Sgi单根冷腔截面积m2SW紊流片料厚占面积m2S3中冷器热侧通道效面积m2
V1VS30375469008ms
见流速佳流速范围
323中冷器迎风面积
Sfd×h10610×084005124m2
中冷器冷侧通面积
Sch2×h1×S1
(8×840×013×1692×84045)×44×106
02713m2
冷风通率kcScSf529％
第四章 柴油机中冷器CFD模拟优化
增压中冷系统柴油机动力性济性环保具重贡献车柴油机普遍应国家汽车柴油机增压中冷技术发展起步较晚知道设备设计没形成套完整理冷性评价方法没形成统标准寒冷产品开发程中常常需进行量匹配实验整机器导致开发周期成增加满足增压中冷应程序需求现国际流行设计研究方法利计算机模拟设计首先然实验验证样缩短产品开发设计周期降低开发成文增压柴油机中冷器设计研究采通商CFD(Computational Fluid Dynamics 计算流体动力学 简称CFD )软件Fluent进行虚拟设计开发研究
41 CFD技术翅式换热器设计开发优越性
车中冷器种条件约束翅式板翅式两种类型相言换热器中冷应越越广泛翅片换热器种高效紧凑式换热器加工技术发展扩应范围广泛应空气分离石油化工天然气液化合成氨工业船舶车辆等突出优点结构紧凑容易流安排温差热温度降传统式换热器设计通常简单理长期积累验实验分析确定换热器结构需量实验基金长周期产生结构形式保证解决方案需探索更效方便设计研究方法
传统设计流程图设计程传统式热交换器冷影响设计行否取决实验验证确保冷机性稳定量试验筛选优化产品设计制造测试部门进行系统性循环涉链接产品开发周期长成高工程设计言需进行方案选择优化
42翅式中冷器CFD设计
利Fluent模拟计算中冷器涉中冷器流动传热涉计算般步骤：建模划分网格边界设定物理模型选择计算处理
421中冷器建模
利Pro软件该中冷器进行建模工作先模型建然导入策略策略前处理软件CFD商业软件Fluent作建立网格模型功非常强建立种样边界条件网格设置生成计算网格中文件导入流利换热器中冷器结构构成重影响前提适简化
建立合理数学模型中冷器建模分三部分进气道出气道芯体中芯体部分做简化：做出增压空气通道冷介质通道挖空冷气热气间做流换热进气道芯体出气道连整体助计算量减少计算精度保证导入Gambit中模型图51
中冷器模型（三视图）
中冷器模型（视图）
图51 Gambit建模图
422网格划分
完成CFD软件建模工作建立限元分析基础建立模型进行网格划分
Gambit 中划分网格规定：二维模型划分三角形四边形单元四边形单元计算精度高三维模型划分四面体五面体六面体单元相言六面体单元计算精度高
次设计计算三维六面体网格单元模型热压缩空气直接空气冷器进出口边界网格划分设置图52示网格单元取size5网格划分总1780881六面体单元模型进行处理改进模型图53示：
图52 网格划分设置
图53 网格划分图
43结果分析
面中冷器部静态压力速度温度云图分布出： 1 通静态压力云图：
(1) 中冷器压力呈层状分布进气道压力逐渐增压力变化出气侧正相反说明高压热空气进入中冷器层通换热芯子时热空气压力降低热交换器芯整体流通截面积应流进气排气侧横截面积路径压缩空气流动程中较低压力造成
(2)进气道逐渐缩中冷器端压力偏高该处应力偏高设计时应该重视
(3)该模型中拐角处直角实际应中应避免直角拐角存进出气道拐角处应设计成圆角气流缓渡避免拐角处应力
2 通速度云图：
(1)冷热空气流量边附高耐热进口侧热空气通热核心遇热心墙附流速均匀产生块冷阱设计避免做设法降低流速偏高
(2)热空气热交换器芯整体速度分布较均匀种设计利均匀传热热空气热空气传热速度分布核心略
结
文阐述中冷器研究现状背景突出优化设计中冷器必性紧迫性介绍增压中冷目作时简单介绍种高效中冷器类型结构板翅式中冷器例详细介绍中冷基单元翅片类型作中冷器流道布置状况整体结构原理作者分析发动机型号定东风柴CY4100ZLQ然根发动机参数高效换热目选择翅式中冷器作中冷设备定增压柴油机原始数换算出增压柴油机已知求指标时计算出柴油机热力参数次中冷器芯体进行详细计算应数均温差法校核散热面积效传热单元数法校核增压空气出口温度增压空气冷介质流动阻力损失进行校核根中冷器工作状况零部件封头隔板等做相应设计计算Pro 绘制出部分三维图装备成中冷器整体三维图然i文件导入Fluent前置处理器Gambit该模型进行网格划分定义边界条件文件导入Fluent进行边界条件设定模拟计算文中考虑中冷器增压空气进出口边界条件冷空气作固定流系数进行冷模拟结果存定误差然模拟结果进行分析结合设计中模拟结果现阶段中冷器新发展状况提出项优化措施
参考文献
[1]张峰高东柴油机中冷器结构设计燃机车 2012年2月 第2期(总第336期)
[2]崔洪江史双吉刘俊杰李明海 DF4c型机车中冷器CFD性仿真分析燃机车 2011年4月 第4期(总第446期)
[3]刘云岗李德钢张锡张济勇 冷轧翅片式中冷器设计计算方法燃机学报[J] 2013年第21卷第5期
[4]刘晓丽徐宇工王凯 空_空热式中冷器设计热力性实验研究现代车动力 2010年5月第2期(总第138期)
[5]周龙保 燃机学 北京机械工业出版社2015
[6]陈红 汽油机废气涡轮增压技术研究发展前景 燃机2011年2月
[7]王应红 郑国璋 废气涡轮增压发动机匹配理计算研究 燃机2012(2)
[8]杨世铭陶文铨 传热学 高等教育出版社 2011
[9]李国样 李 娜 张锡 气气中冷器湍流特征试验研究 燃 机工程 第23 卷(2012)第5期
[10]柴油机设计手册编辑委员会 柴油机设计手册(中册) 北京中国农业出版 社201012
致谢
毕业文写作期间学样东西压力成长然查阅量资料做许相关工作果没导师悉心指导老师学力帮助法完成次毕业文特完成次毕业文程中许鼓励帮助老师学致谢
首先感谢导师刘孟祥老师次感谢次毕业文中许帮助老师学支持鼓励克服种困难第三感谢教导老师感谢百忙中评审文位老师答疑老师表示诚挚谢意
毕业文写作期间学样东西压力成长然查阅量资料做许相关工作果没导师悉心指导老师学力帮助法完成次毕业文特完成次毕业文程中许鼓励帮助老师学致谢
首先感谢导师刘孟老师次感谢次毕业文中许帮助老师学支持鼓励克服种困难第三感谢教导老师感谢百忙中评审文位老师答疑老师表示诚挚谢意
转眼间研究生学生活结束入学仿佛昨天事情初乍时场景犹历历目回忆起两年半点点滴滴感慨已欣慰余庆幸值欣慰时间汗水拼搏中度学许受益穷东西庆幸环境遇良师益友指引帮助够利完成学业谨表示衷心感谢
深谢意献导师刘孟翔教授知道掌握言语确切表达老师感激情老师片天空试翅空间老师学术方生活中温暖行动勇气处世榜样失败时候老师气咬牙坚持时候老师加油成功时候老师提醒继续前进总老师什时候信言传身教学许书没东西获宝贵财富
附录A
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题目
柴油机增压中冷器数值模拟设计
摘
讲述中冷器类型结构中介绍高效换热器板翅式换热器结构原理东风柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压温度空气质量流量增压计算出增压空气中冷器处进口流量进口温度然根风扇产生冷空气流量环境温度中冷器出口温度计算出中冷器需散失热量确定中冷器传热系数时压力损失增压温度散热面积进行校核软件绘制出设计中冷器零件图利CFD商业软件Fluent中前置处理器Gambit该中冷器网格划分边界条件定义导入Fluent进行边界条件设定模拟计算结果分析确定中冷器优化方优化措施
关键词：CFD技术柴油机冷器数值模拟设计
ABSTRACT
The article introduces the structure theory of High Efficiency Heat and Platefin Heat Exchange by elaborating the types and structures of the Int Simultaneously it estimates the temperature of Don9 ChaochaiY4100ZLQ turbo engine aft pressurization air mass flow rate and pressure ratio and calculates the inlet flow and inlet temperature through the pressurized air in the Inter Then according to the air flow generated by the fan the environment temperature and the outlet temperature of the Int it calculates the dissipating heat of the Int and then determines the heat transfer coefficient of the Inter The third is to check the loss of the hydraulic pressure boosted temperature and the area of heat dissipation The fourth part is to draw the map of the designed parts of the by software using the front processor Gambit of Fluent one of the CFD commercial software meshes the Int and defines the boundary conditions and then sets the boundary conditions by input into the Fluent software simulation calculation and result analysis Finally it determines the optimization direction and measures of the Inter
Keywords CFD technology Diesel engine Cooler numerical simulation design
目 录
诚信声明………………………………………………………………………Ⅰ
摘……………………………………Ⅱ
Abstract…………………………………………………………………………Ⅲ
第章 前言……2
第二章 柴油机中冷器简介3
21 柴油机中冷器类型结构4
22 柴油机中冷器类型5
23 柴油机中冷器结构6
第三章 中冷器计算7
31中冷器结构参数工况8
32 中冷器参数计算9
321中冷胎冷侧散热面积F计算10
322发动机求热侧空气流11
323中冷器迎风面积12
第四章 柴油机中冷器CFD模拟优化13
41 CFD 技术翅式换热器设计开发方面优越性14
42翅式中冷器 CFD 设计15
421 中冷器建模16
422 网格划分17
43 结果分析18
结19
参考文献20
致谢21
附录A22
第章 前 言
着汽车节环保政策法规深入推行发动机清洁燃烧尾气净化技术断进步中增压中冷技术逐渐成业界热点． 社会发展汽车等行业飞速发展燃机社会保量断增加排放威胁类身体健康越越受关注口十分密集城市汽车排放类带危害世界国相继推出日益严格排放法规控制汽车尾气气环境污染特哥哈根会议汽车排放求更加严格满足新排放法规求发动机够降低排放污染物提出种方案中涡轮增压器加器（增压中冷系统）方案方面进步提高燃机进气气体密度提高燃机功率输出方面降低燃机压缩始点温度整循环均温度降低燃机排气温度热负荷NOx排放图11
图11 涡轮增压中冷系统
增压柴油机高进气增压压力总需冷助推器作提高发动机进气密度增加燃油喷射提高均效压力着压力增加率压缩机出口空气温度较高某种程度限制气体密度增加冷温度柴油机燃烧程排放性产生重影响进口恒定位移柴油机质量增加情况增加输出功率通合理匹配设计目效改善燃机排放性着压强增加入口温度显著增长阻碍进步改善燃机性
实验结果表明相空燃条件增压空气温度降10摄氏度密度约增3空气燃烧消耗率保持变时柴油机输出功率提高3～5仅柴油机效率着增压空气温度降升时降低排放中污染物改善发动机低速性增压柴油机中通常采中间冷技术(简称中冷技术)提高发动机功率降低发动机热负荷排气温度达降低增压柴油机排放降低目 综合中冷器必性
（1）增加功率
（2）减少燃油消耗
（3）减少热负荷
（4）减少粉尘
（5）减少NOx排放
（6）国家法律求
（7）减少爆震（点火发动机）
增压中冷系统应特汽车柴油机领域越越轻型汽车中冷器压缩空气进入气缸冷装置前涡轮增压柴油机正常运行缺部分解机器结构设计冷效率研究研究方法成非常重话题中冷柴油发动机道设计原
（1）减少方改变中冷系统路布置简洁
（2）路应设固定装置
（3）橡胶弯头改变方会高压进气吹脱落 柴油机中冷器设计求：
（1）结构简单紧凑
（2）工作成低
（3）提高中冷器换热力
（4）减少中冷器流动阻力减少中冷器动力损失
第二章 柴油机中冷器简介
柴油机中冷器质热交换器种提高增压柴油机新鲜空气密度压缩空气进行冷增压柴油机缺少部分提高柴油机功率增柴油机进气量降低污染物排放实际应中类型结构差
21柴油机中冷器类型结构
211柴油机中冷器类型
中冷柴油发动机设备类型分类台涡轮增压中冷柴油机目前错流寒冷室外壁冷方式根冷介质水冷风冷中冷机两类
1水冷式冷机冷水冷热压缩空气冷水冷冷机冷水系统根方式分两种
（1）柴油机冷系统冷水冷增压柴油机需设置水冷模式结构简单柴油机冷水温度较高低负载压缩空气加热提高低负荷燃烧性高负载压缩空气冷效果较差种方法c涡轮增压中冷柴油发动机
（2）两套独立冷水冷中冷柴油发动机系统两套独立冷水系统高温冷水系统冷机低温冷水系统冷设备中冷油冷器种冷方式冷效果燃机广泛应汽车海洋固定柴油发动机
2冷空气冷单元中冷中冷装置利然空气冷介质冷热压缩空气气冷式冷中冷装置根驱动冷风扇功率分两种方式
（1） 柴油机曲轴适汽车柴油发动机驱动风扇面前冷机组冷水箱冷风扇汽车柴油发动机曲轴风寒冷冷水箱汽车发动机中冷通常种方法冷发生低负载
（2） 压缩空气涡轮风扇压缩空气涡轮风扇中冷系统压缩机发出空气涡轮涡轮驱动风扇冷中冷分发器限驾驶涡轮气流涡轮做功越少风扇提供冷空气体积较显然冷效果较差增压压力负载变化冷方式冷风量负载变化低负载时风量高负荷时风量利负荷燃烧性尺寸车里安装方便
212柴油机中冷器结构
1水冷结构寒流广泛水冷中冷板结构板中冷器许位置层散热器冷水锡焊堆焊焊接起俄罗斯进口冷轧翅片冷技术性优点传热系数开始受重视增压中冷柴油机系统识应
（1） 片式中冷器
板中冷许位置层散热器锡铅焊料焊接起冷水散热器制造铜铜排列叉行行两种道横截面形状圆形椭圆形扁形状流线型降etcPipe具良工艺性性空气流动阻力空气压力损失更形状流线型降空气阻力越少工艺性性差现少椭圆扁相具较高传热系数减少空气阻力工艺性性圆优面
（2） 冷轧翅片式中冷器
冷轧翅片金属板硬外软致力陷入双金属球场通常铜铝钣金工作工作黄铜铝双金属外工作双金属道两种金属铜程中固体联合起没差距振动条件长期工作会释放翅片方法固定端板整程没焊接没虚拟拆焊焊接工作长期振动现象优势冷轧翅片冷阱较少接触热阻高传热系数良工作性缺点样体积冷面积少空气阻力损失更冷轧翅片结构图21
图21冷轧翅片结构
2 风冷中冷装置增压空气冷高温空气热端冷端热传递介质空气两侧流传热系数数量级应该致相两边传热面积结构风冷中冷扁翅片式热交换器冷散热器扁压缩空气流冷空气外流动热端换热面积太心脏传热效率低少应程序更翅片翅式中冷两种类型
（1） 板翅式中冷器
板式换热器中冷结构间05 08毫米厚金属板钎焊01 03毫米厚薄金属板制成鳍密封板两端极限鳍层方错90度两方鳍分形成两种通道错流传热介质翅片类型感铜硅黄金结构简单传热面积效率高光直翅片传热系数阻力损失特殊场合严格阻力提高空气扰动破坏边界层加强传热锯齿形翅片穿孔鳍翅片类型等锯齿状鳍促进流体湍流破坏效热阻边界传热系数高光直鳍30部分冷锯齿形翅片
（2） 翅式中冷器
翅式结构翅基础发展热侧通道孔形成板式换热器相优点热面成型简化程避免壁鳍虚拟焊接工作振动间脱焊造成接触热阻提高传热效率工作性缺点热面连续光通道难采取措施绕流目前换热器中冷装置越越应
（3） 风冷式中冷器构造工作原理（板翅式例）
图22示板翅式热交换器结构基单元
1） 冷热流体相邻流动基流道中流动成体通换热翅片翅片板种结构基单位热传导基单位根流体流动模式样单位细胞布局叠加钎焊翅片换热器板梁身体身体核心般说强度保温制造程需求顶部底部板梁许虚假翅片层(称强度层程)板梁两端通适流体入口形成台板翅片换热器
2） 翅片换热器翅片基元素部分冷热流体间热交换通鳍部分直接通分区正常设计翅片传热面积约67总换热器传热面积~ 88翅片隔膜间联系完美钎焊部分热翅通隔膜冷流体鳍翅片传热换热分区直接鳍绰号第二表面
二次传热表面通常低传热传热效率果没基翅简单数波纹板式换热器空气加州学艾姆斯实验室分没鳍翅片换热器实验证明鳍没翅片式换热器体积减少18果设计翅片效率70低重量减少10鳍外承担务传热两分区加强中扮演重角色然鳍隔膜材料薄强度单位细胞构成非常高承受高压
翅片型式介绍中种常型式：
①直翅片 称光滑翅片基种翅片光滑翅片薄金属片滚轧压成直翅片带光滑壁长长方形翅片特点流体形成流道中流动传热流动特性长圆中传热流动特性相似种翅片作扩传热面促进流体湍动作少相翅片特点换热系数阻力系数较宜求较流体阻力身传热性较(液侧发生相变)场合外翅片强度高类型翅片高原板翅式换热器中较
②锯齿翅片 视翅片切成许块交错形成定期间歇类型鳍种翅促进流体湍流破坏热边界层非常效压力损失相条件直翅片传热系数高30高效翅片说法锯齿形翅片传热性翅片切开长度变化切开长度越短传热性越压力降增加传热量相条件压力损失相应直翅片该种翅片普遍需强化传热(尤气侧)场合
③孔翅片 直翅片出许圆孔方孔成孔翅片开孔率段5％～10％间孔径孔距定关系孔排列长方形行四边形正三角形二种国目前采孔翅片孔径Φ2．15Φ91．7孔距6．5mm3．25mm正三角形排列翅片孔传热边界层断破裂更新提高传热效果高雷诺效范围会出现振动雷诺数较范围具直翅片高换热泵效翅片开孔流体翅片中分布更加均匀流体中杂质颗粒刷排利孔翅片导流片流体中夹杂颗粒相变换热场合
④波纹翅片 波纹翅片直翅片压成定波形流体流道中直改变流动方便促进流体湍动分离效果相翅片折断波纹愈密波幅愈传热性
愈国常组片直孔锯齿形翅片三种汉语拼音符号数字统表示翅片型式参数70PZ2103表示PZ——直翅片70——65mm翅高21——21mm节距03——03mm翅厚孔形DK锯齿形JC参数表示法相
（3）导流片封头
便流体均匀引导翅片流道中汇集封头中般翅片两端均设导流片导流片起保护较薄翅片作较薄翅片制造时受损坏避免通道堵塞作翅距翅厚孔直径孔翅片结构孔翅片相封头作板束工艺道连接起集聚流体导流片封头示意图图26
根种结构型式板翅热交换器导流片图27示图中I型热交换器端部两封头导流片流体引导端部侧封头Ⅱ型布置热交换器端部三封头需股流体引导中间封头Ⅲ型布置热交换器端部敞开仅封头情况Ⅳ型满足封头布置两侧设计V型布置满足路布置需采应注意设置导流片定完全克服流体流道分配均匀问题分配否均匀流体状态关
第三章 中冷器设计计算
31中冷器结构参数状况
根发动机求初选中冷结构工况表1
表1中冷器结构型式工况
中冷器结构形式
带式
芯子尺寸：宽×高×厚(mm)
610×840×65
数
43
冷宽×高×厚(mm)
6×62×07
散热带
44
进出气室口径
90
两气室口距离（mm)
630
散热带置流片
波距×波高×宽×厚(mm)
45×8×65×013
热风进温度（℃）
150
热风出温度（℃）
50
热空气流量（LS）
375
冷风进温度（℃）
25
迎风面积（ms）
15
32中冷器参数计算
321中冷胎冷侧散热面积F计算：
S1Su×i14912m2
S2Si2×i218066m2
FS1+S222978
式中Su单根冷散热面积m2（表1求出）il冷根致SI冷散热面积m2S2散热带散热面积m2 S2单根散热带散热面积m2i2散热带根数
322发动机求热侧空气流
G1264kgmin044kgs
体积流量：
V0375m3s
SgSg1×i1471m2
理
SW21355mm2
S3SgSW469m2
式中Sg冷通道面积m2Sgi单根冷腔截面积m2SW紊流片料厚占面积m2S3中冷器热侧通道效面积m2
V1VS30375469008ms
见流速佳流速范围
323中冷器迎风面积
Sfd×h10610×084005124m2
中冷器冷侧通面积
Sch2×h1×S1
(8×840×013×1692×84045)×44×106
02713m2
冷风通率kcScSf529％
第四章 柴油机中冷器CFD模拟优化
增压中冷系统柴油机动力性济性环保具重贡献车柴油机普遍应国家汽车柴油机增压中冷技术发展起步较晚知道设备设计没形成套完整理冷性评价方法没形成统标准寒冷产品开发程中常常需进行量匹配实验整机器导致开发周期成增加满足增压中冷应程序需求现国际流行设计研究方法利计算机模拟设计首先然实验验证样缩短产品开发设计周期降低开发成文增压柴油机中冷器设计研究采通商CFD(Computational Fluid Dynamics 计算流体动力学 简称CFD )软件Fluent进行虚拟设计开发研究
41 CFD技术翅式换热器设计开发优越性
车中冷器种条件约束翅式板翅式两种类型相言换热器中冷应越越广泛翅片换热器种高效紧凑式换热器加工技术发展扩应范围广泛应空气分离石油化工天然气液化合成氨工业船舶车辆等突出优点结构紧凑容易流安排温差热温度降传统式换热器设计通常简单理长期积累验实验分析确定换热器结构需量实验基金长周期产生结构形式保证解决方案需探索更效方便设计研究方法
传统设计流程图设计程传统式热交换器冷影响设计行否取决实验验证确保冷机性稳定量试验筛选优化产品设计制造测试部门进行系统性循环涉链接产品开发周期长成高工程设计言需进行方案选择优化
42翅式中冷器CFD设计
利Fluent模拟计算中冷器涉中冷器流动传热涉计算般步骤：建模划分网格边界设定物理模型选择计算处理
421中冷器建模
利Pro软件该中冷器进行建模工作先模型建然导入策略策略前处理软件CFD商业软件Fluent作建立网格模型功非常强建立种样边界条件网格设置生成计算网格中文件导入流利换热器中冷器结构构成重影响前提适简化
建立合理数学模型中冷器建模分三部分进气道出气道芯体中芯体部分做简化：做出增压空气通道冷介质通道挖空冷气热气间做流换热进气道芯体出气道连整体助计算量减少计算精度保证导入Gambit中模型图51
中冷器模型（三视图）
中冷器模型（视图）
图51 Gambit建模图
422网格划分
完成CFD软件建模工作建立限元分析基础建立模型进行网格划分
Gambit 中划分网格规定：二维模型划分三角形四边形单元四边形单元计算精度高三维模型划分四面体五面体六面体单元相言六面体单元计算精度高
次设计计算三维六面体网格单元模型热压缩空气直接空气冷器进出口边界网格划分设置图52示网格单元取size5网格划分总1780881六面体单元模型进行处理改进模型图53示：
图52 网格划分设置
图53 网格划分图
43结果分析
面中冷器部静态压力速度温度云图分布出： 1 通静态压力云图：
(1) 中冷器压力呈层状分布进气道压力逐渐增压力变化出气侧正相反说明高压热空气进入中冷器层通换热芯子时热空气压力降低热交换器芯整体流通截面积应流进气排气侧横截面积路径压缩空气流动程中较低压力造成
(2)进气道逐渐缩中冷器端压力偏高该处应力偏高设计时应该重视
(3)该模型中拐角处直角实际应中应避免直角拐角存进出气道拐角处应设计成圆角气流缓渡避免拐角处应力
2 通速度云图：
(1)冷热空气流量边附高耐热进口侧热空气通热核心遇热心墙附流速均匀产生块冷阱设计避免做设法降低流速偏高
(2)热空气热交换器芯整体速度分布较均匀种设计利均匀传热热空气热空气传热速度分布核心略
结
文阐述中冷器研究现状背景突出优化设计中冷器必性紧迫性介绍增压中冷目作时简单介绍种高效中冷器类型结构板翅式中冷器例详细介绍中冷基单元翅片类型作中冷器流道布置状况整体结构原理作者分析发动机型号定东风柴CY4100ZLQ然根发动机参数高效换热目选择翅式中冷器作中冷设备定增压柴油机原始数换算出增压柴油机已知求指标时计算出柴油机热力参数次中冷器芯体进行详细计算应数均温差法校核散热面积效传热单元数法校核增压空气出口温度增压空气冷介质流动阻力损失进行校核根中冷器工作状况零部件封头隔板等做相应设计计算Pro 绘制出部分三维图装备成中冷器整体三维图然i文件导入Fluent前置处理器Gambit该模型进行网格划分定义边界条件文件导入Fluent进行边界条件设定模拟计算文中考虑中冷器增压空气进出口边界条件冷空气作固定流系数进行冷模拟结果存定误差然模拟结果进行分析结合设计中模拟结果现阶段中冷器新发展状况提出项优化措施
参考文献
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[2]崔洪江史双吉刘俊杰李明海 DF4c型机车中冷器CFD性仿真分析燃机车 2011年4月 第4期(总第446期)
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[10]柴油机设计手册编辑委员会 柴油机设计手册(中册) 北京中国农业出版 社201012
致谢
毕业文写作期间学样东西压力成长然查阅量资料做许相关工作果没导师悉心指导老师学力帮助法完成次毕业文特完成次毕业文程中许鼓励帮助老师学致谢
首先感谢导师刘孟祥老师次感谢次毕业文中许帮助老师学支持鼓励克服种困难第三感谢教导老师感谢百忙中评审文位老师答疑老师表示诚挚谢意
毕业文写作期间学样东西压力成长然查阅量资料做许相关工作果没导师悉心指导老师学力帮助法完成次毕业文特完成次毕业文程中许鼓励帮助老师学致谢
首先感谢导师刘孟老师次感谢次毕业文中许帮助老师学支持鼓励克服种困难第三感谢教导老师感谢百忙中评审文位老师答疑老师表示诚挚谢意
转眼间研究生学生活结束入学仿佛昨天事情初乍时场景犹历历目回忆起两年半点点滴滴感慨已欣慰余庆幸值欣慰时间汗水拼搏中度学许受益穷东西庆幸环境遇良师益友指引帮助够利完成学业谨表示衷心感谢
深谢意献导师刘孟翔教授知道掌握言语确切表达老师感激情老师片天空试翅空间老师学术方生活中温暖行动勇气处世榜样失败时候老师气咬牙坚持时候老师加油成功时候老师提醒继续前进总老师什时候信言传身教学许书没东西获宝贵财富
附录A
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