基于多孔介质模型的中冷器内阻CFD分析

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 ICEM CFD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116℃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-ε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0Pa。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图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-ε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、0.11kg/s、0.14kg/s和0.18kg/s，进气温度设置为116℃；采用质量流量入口+压力出口的边界条件，出口压力（表压）为0Pa。

3.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图14所示。该工况下中冷器进口与出口处速度分布情况如图15所示。该工况下中冷器各冷却管的流量分配情况如图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。