基于多孔介质模型中冷器内阻CFD研究.doc

基于多孔介质模型中冷器内阻CFD研究一、前言本文利用商业CFD分析软件ANSYS Fluent对某汽车中 冷器的内流场进行CFD模拟分析，利用ANSYS Fluent软件 的多孔介质模型模拟中冷器芯体扰流片的阻力特性，在保证 计算精度的同时，极大限度地降低了中冷器内阻CFD分析模 型的规模在产品设计初期，通过对中冷器的内流场进行CFD 分析，能有效了解中冷器内部的速度分布情况、压力分布情 况以及中冷器内部各冷却管间的流量分配情况，可以得到中 冷器内部阻力特性并初步了解中冷器的换热能力并将中冷 器内阻CFD分析结果与样件试验结果进行对比分析，验证CFD 分析的可靠性二、中冷器扰流片阻力特性CFD分析某汽车中冷器三维几何模型如图1所示，中冷器散热管 与扰流片几何模型如图2所示中冷器扰流片阻力特性CFD分析采用简化的二维模型进 行，CFD分析前处理采用ANSYS ICEMCFD软件，求解及结果 的后处理使用ANSYS Fluent软件扰流片内部流体介质为 116C的空气，材料参数设置如图3所示；空气在散热管与 扰流片内流动考虑为不可压缩的粘性湍流流动；采用标准的 k-e湍流模型和标准的壁面方程，设置如图4所示；计算采用速度进口与压力出口边界条件，进口流速分别取2m/s、 5m/s、10m/s、20m/s、40m/s 和 60m/s，出口 压力为 OPa。

扰 流片二维简化CFD模型如图5所示，扰流片压力分布情况如 6所示扰流片阻力特性如图7所示根据公式和，计 算中冷器芯体多孔介质的粘性阻力与惯性阻力，由扰流片阻 力特性曲线拟合的多项式得到=0.2387， =0.0985通过计算粘性阻力为216981N，惯性阻力为4.43N三、中冷器内阻CFD分析中冷器内阻CFD分析前处理采用ANSYS ICEM CFD软件 与HyperMesh软件，求解及结果的后处理使用ANSYS Fluent 软件计算模型的三维几何模型由CATIA软件生成，通过 ParaSoild格式导入ANSYS ICEM CFD软件，通过stp格式导 入 HyperMesh 软件1. 计算模型与网格划分由中冷器三维模型通过CATIA软件进行布尔运算，提取 中冷器内部流体区域运用ANSYS ICEM CFD软件对中冷器 进、排气室进行网格划分，由于模型结构比较复杂，全部采 用非结构化的四面体网格；运用HyperMesh软件对中冷器芯 体进行网格划分，由于模型结构比较规则，采用六面体网格 划分，并对管道壁面边界层网格进行加密；运用Tgrid软件， 将进、排气室网格与芯体网格进行合并。

为了保证计算的精 度，管道截面厚度方向布置12个网格；同时为了获得更好 的求解收敛性，将入口和出口均进行适当延长，延长的距离 大约为8倍的直径整个中冷器计算模型的网格数在120万 左右，网格模型如图8所示2. 物理模型与边界条件设置中冷器内流动CFD分析过程中认为空气在中冷器内部的 流动是稳态、绝热且可压缩的粘性湍流流动，采用标准的 k-e湍流模型和标准的壁面方程，中冷器的内壁面认为是水 力光滑的，采用双精度求解器，非耦和隐式算法，二阶求解 精度为了与试验条件一致，中冷器内流动CFD分析过程中 采用理想空气作为流体介质，材料参数设置如图9所示；将 中冷器芯体设置为多孔介质，根据扰流片阻力特性二维模型 计算结果设置粘性阻力与惯性阻力；空气的质量流量分别为 0. 08kg/s、0. llkg/s、0. 14kg/s 和 0. 18kg/s,进气温度设 置为116C;采用质量流量入口 +压力出口的边界条件，出口 压力（表压）为OPa3. CFD计算结果分析及与试验结果对比分别对中冷器各个入口流量进行模拟计算，入口流量为 0. 14kg/s时中冷器壁面压力分布与速度分布情况如图13所 示，该工况下中冷器冷却管截面压力分布与速度分布情况如 14所示。

该工况下中冷器进口与出口处速度分布情况如 15所示该工况下中冷器各冷却管的流量分配情况如 16所示中冷器内阻特性曲线如图17所示四、结语通过中冷器冷却管扰流片的二维简化模型，计算扰流片 的阻力特性，进一步计算中冷器芯体多孔介质的参数，用于 计算中冷器内阻，中冷器内阻特性CFD计算结果与试验结果 吻合较好，说明此计算方法是正确可行的，而且能够达到很 好的计算精度中冷器内流场分析结果显示：中冷器进气室、排气室结 构设计较为合理，进口处存在少量漩涡；中冷器单个冷却管 截面上速度分布比较均匀；中冷器各散热管流量分配不均 匀，距离进、出口越近流量越大，会对中冷器的换热性能产 生一定的负面影响。