通过模拟来延长废气再循环冷却器的寿命

2015-5-27 11:16| 发布者: 安丰贞| 查看: 1601| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 模拟多相物理过程：疏耦就是将CFD的计算结果作为FEA的一个边界条件。这可以让用户同时使用ANSYS的FLUENT软件和Mechanical软件来进行计算仿真。在这种不是非常紧密的耦合里，用户可以将CFD的计算结果导入几何结构模型中。EGR冷却器就会被约束然后在一定的负载下进行机械性能的仿真计算。通常，用户都会建立模型进行标准的循环——一个热循环和一个冷循环。这些循环在一定时间后将会达到一个稳态——形成两个不 ...

现象：

•   废气再循环冷却器

应用：

•   汽车
•   运输

主要软件：

•   ANSYS Workbench

工具：

•   ANSYS Fluent
•   ANSYS Mechanical
•   nCode
•   RBF Morph
•   DesignXplorer

分析方法：

计算流体动力学,有限元分析，失效分析及最优化

计算能力

•   未知

网格划分工具：

•   SpaceClaim
•   ANSYS Meshing

主要发现：

•   最佳冷却的废气进口的优化
•   冷却不均匀引起的平板端部的热应力
•   失效分析废气再循环冷却器的寿命。
•   蒸汽口的蒸汽模拟
•   模拟污染物的冷凝模拟
•   废气再循环冷却器设计难点
•   废气再循环冷却器(exhaust gas recirculation，EGR)在减少内燃机排放NOx 扮演重要的角色。 NOx(俗称氮氧化物)排放量是受到温度和内燃室内氧气浓度的限制的。

EGR几何机构图

•   为了确保喝水的氧气流率和温度，EGR冷却器系统必须保证流经热交换器的废气的流量是一定的。
•   不稳定的流量会增加对排放设计师的设计难度。其中呢包括了热应力和污染。
•   ANSYS公司的Padmesh Mandloi经理说，“由于热应力的差，会导致不稳定的热交换，因此会对EGR的末端板会产生热应力。在管中会有60-70度的温差，此外较热的热源会将热量传递给较冷的热源，从而导致较冷热源的蒸发。这会对冷却端的冷却效率产生较大的影响。最后，由于废气总含有二氧化硫和废水蒸汽，如果这些蒸汽在EGR内冷却下来，anemia会产生硫酸，这会腐蚀和污染EGR。”
•   通过加入波纹板来优化热交换器。然而，这会增大管道内的压降，从而影响废气的流量。
•   Mandloi认为用户可以优化入口的分布器来优化EGR模块。这同样也会以最小的压降来稳定废气的流量。
•   利用ANSYS的FLUENT和Mechanical软件对废气再循环冷却器进行模拟计算

EGR内体积分数的模拟计算

•   模拟多相物理过程：疏耦就是将CFD的计算结果作为FEA的一个边界条件。这可以让用户同时使用ANSYS的FLUENT软件和Mechanical软件来进行计算仿真。
•   在这种不是非常紧密的耦合里，用户可以将CFD的计算结果导入几何结构模型中。EGR冷却器就会被约束然后在一定的负载下进行机械性能的仿真计算。
•   通常，用户都会建立模型进行标准的循环——一个热循环和一个冷循环。这些循环在一定时间后将会达到一个稳态——形成两个不同的温度场。这两个温度场会产生瞬时的基于一定频率的热应力。
•   Mandloi说：“在模拟EGR时候，必须要将蒸发考虑在内。因为废气的热量可以导致冷流体的蒸发，从而致使气穴。这些气穴会影响冷热流体的接触，甚至会使得整个系统过热。这会恶化系统内的热应力。如果沉积的蒸汽反应生成二氧化硫，那么废气也会导致腐蚀。”
•   系统内的蒸发模拟采用的是一个半机械的蒸发模型(UDF)。该模型是基于一个简单的用户自定义的关联式。它可以计算流体从液态到气态的量，然后在几何结构模型中表示出来。蒸汽冷凝模型也是有相同的作用。可以计算从废气中有多少废气冷却成液体。

对EGR进行稳态冷却和结构稳定性的优化

•   模拟EGR管壁上的冷却温度
•   The simulation was linked to BFMorph to optimize the shape of the inlet diffusor.
•   模拟结果与BFMorph相连，为了优化进口分布板的形状。
•   Mandloi说：“通常这部分的结果是不能随意更改的，因为这是要适合汽车部分的，所以这是固定的，当然，优化的目的是要确保气流的稳定而且要使得这部分可以安装在汽车上。”
•   与此同时设计优化工具是用来对管子和波纹管进行结构参数的优化。Mandloi补充说道，“这些工具是确保在最大的热交换前提下，压降是比较小的。”
•   通过ANSYS Workbench平台，使得工程师的优化可以通过CAD模型和实验设计两者进行比较，从而对模拟进行修正。
•   实验设计算法可以用来描述网格节点上细微的变化。之后再用BFMorph进行修正。工作平台可以使得CFD和FEA模拟结果在实验设计算法下自动进行耦合计算。
•   Mandloi说，“我们可以用ANSYS Fluent自带的网格处理软件来进行处理。然而，EGR的问题需要一个较为强大的工具。因此需要第三方工具BFMorph来进行优化处理。”
•   在机械仿真结束之后，使用nCode对EGR进口进行应力失效分析。Mandloi说：“由于燃烧室内复杂的环境，EGR会经历一个非稳态的热应力，这也就可以解释为什么EGR一旦应力失效后会对引擎有很大的损害！”
•   Mandloi说ANSYS可以有效的模拟废气再循环冷却装置。“一旦你确定了模拟对象后，需要将实际的物理模型进行简化。因为剩下的就是需要去验证简化模型的合理性。模型在不失真的前提下进行简化，简化越多，那么可以缩短进入市场的时间。”

译自：http://www.engineering.com/DesignSoftware/DesignSoftwareArticles/ArticleID/10107/Simulation-Improves-the-Life-of-EGR-Coolers.aspx
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