基于CFD的汽车排气余热回收装置设计*

沈夏威 ， 周忠友

(湖州职业技术学院　机电与汽车工程学院, 浙江　湖州　313000)



基于CFD的汽车排气余热回收装置设计*

沈夏威 ， 周忠友

(湖州职业技术学院机电与汽车工程学院, 浙江湖州313000)

将温差发电技术运用于汽车排气管，设计了一套排气余热回收装置。对其主换热器的温差发电装置(TEG)部分设计了两种(A和B)方案，建立这两套方案的三维模型。使用计算流体动力学(CFD)方法进行流体仿真,得到了这两种方案TEG的流场，结果表明，B方案相对于A方案换热效率更高，压损更小，具有更佳的可行性。

汽车排气；余热回收装置；计算流体动力学；温差发电装置

汽车排气余热回收利用是提高内燃机效率、节约燃料的一个重要途径。一方面可以有效地提高燃油的利用效率，减少能源的消耗，节约能源；另一方面减少汽车排气中CO2、HC、NOX的排放，降低汽车排气对大气的污染。本文运用温差发电技术，结合目前内燃机技术状况和工作特性，根据汽车排气余热的实际情况，设计汽车排气余热回收温差发电系统。针对余热回收装置设计了两套主换热器方案，进行CFD仿真比较，获得优选方案。

一、排气余热回收系统设计

排气余热回收装置是基于温差发电材料的塞贝克效应即第一热电效应，实现热能到电能的直接转化[1]22-25 [2]287-289。即：P型和N型两种不同的半导体材料一端置于高温热源，另一端置于低温冷端，在热激发下会形成电动势，通过高温和低温的温差，将热能转化为电能。

汽车排气系统一般由排气管、三元催化装置和主、副消声器等组成。汽车排气的温度随其流动方向逐渐降低，三元催化器入口的温度高达1 000 ℃，由于目前车用温差发电装置的工作温度不超过750 ℃，为了充分利用排气的热量，将排气余热回收装置设计在三元催化器与副消声器之间比较合适。

鉴于普通排气管的截面多为圆形，本文采用筒形温差发电装置，将主换热器设计成正多边形，将多组温差发电模块平铺于主换热器的外表面上，如图1所示。发电模块内侧为热端即主换热器，外侧设计冷却回路作为冷端。

图1排气余热回收装置结构示意图

二、主换热器方案设计、计算域网格划分及边界条件

(一)主换热器方案设计

根据塞贝克效应原理，温差发电装置在车辆排气系统上的运用难点主要是将排气管的热量导出，使之成为一个稳定的热源供给温差发电装置。因此，需要针对排气系统的结构和工作特点，设计一个换热器，使其能够尽可能多的吸收热量并且传递给热电模块。本文以一般乘用车为研究对象，在尽可能不影响排气系统原有结构的基础上设计余热回收装置的主换热器，拟设计A和B两套换热装置进行比较研究。

方案A如图2中的a图所示，鉴于排气管布置空间限制，保持排气管原结构尺寸不变，在排气管内部设计换热翅片。为增大换热面积并且同时兼顾排气压力损失，本文设计换热翅片为直列式沿排气管内壁排布。同时，根据TEG装置冷端热电模块结构，将换热器设计成正十二面体换热装置。

方案B如图2的b图所示，考虑在A方案的基础上增大换热面积，即设计成排气管局部扩大的换热器。基于排气管在底盘上的空间布置限制，参考消声器及三元催化器的尺寸设定换热器。内部结构同A方案，截面为正十二边形，与排气管连接处设计为锥面过渡。

a)方案A示意图　　　b)方案B示意图

(二)计算域网格划分

主换热器模型使用ICEM软件对几何表面进行处理，生成四面体网格单元。由于主换热器金属翅片的厚度仅为1 mm，壁面法向上的网格密度较低，为了准确模拟尾气与金属翅片的传热过程，在换热器导热翅片周围拉伸出与其平行的三棱柱网格作为边界层，以提高计算精度。并且对换热器的主体部分设置密度盒，以提高换热区域的计算精度。对A和B两种模型方案相同的部分采用相同的网格大小设置，以避免网格差异性对仿真结果的影响，使结果更具可比性。

整个计算域生成网格数为：方案一350万，节点数约57万；方案二380万，节点数约60万。

(三)边界条件设定

本次为流固耦合传热计算，仿真在Fluent软件中进行。求解器选用基于压力的求解器。压强为一个标准大气压，温度为常温。壁面函数设置为标准壁面函数，选用二阶迎风格式进行空间离散，数值方法采用SIMPLE算法。选择 realizable 湍流模型，以湍流强度和水力直径定义湍流强度。亚松弛因子及计算收敛标准采用系统默认设置。

流体介质为空气，气体密度0.6 kg/m3，动力粘度2.9×10-6，其他物性参数采用系统默认。翅片为铝制固体，导热系数202.4 W/m2·K，其他参数为系统默认。

入口设置速度入口边界条件，根据普通乘用车辆发动机常用工况下其排气终了状态，入口温度设定773 K，入口流速赋初值60 m/s，湍流强度假定为充分发展的湍流状态，设定为8 %。出口设定为压力出口条件，压力为标准大气压，表压为0，湍流强度8 %。壁面均设定为无滑移壁面，流体换热壁面和铝制金属翅片设定为耦合壁面。固体壳体温差发电模块所在面设定对流换热系数为80 W/m2·K。其他外部壳体壁面设置自然对流换热系数和环境自由流温度300 K[3]33-40。

为保证计算结果的可比性，A和B两组方案均采用以上设置。迭代计算使用并行计算以减少仿真时间。

三、仿真结果分析

两种方案经Fluent计算至收敛，获得A和B两个方案的计算结果。

(一)仿真计算结果

两个方案的仿真计算结果如表1所示。TEG换热功率A和B两种方案都达到了1 kW以上，方案B相对于方案A增加了72.4 %。方案A的压损较大，几乎是B方案的4倍，对排气系统的阻滞较为明显，会影响发动机的正常工作。方案B由于扩大了尺寸，对排气系统的阻滞较小，不影响废气的正常排出。

表1　方案A和B仿真计算结果

(二)主换热器仿真流场分析

方案A流线如图3中a所示，由伯努利定理可知，气流经过换热器的内部翅片时，流速增大。气流在通过换热器时较为充分地经过了换热器翅片的间隙，换热翅片较为充分地起到了热交换的作用。整体流场较为平滑，未见较大的涡流。方案B流线如图3中b所示，对比方案A，换热器对排气流的影响相对小。气流并未在换热翅片之间充分发展，靠近外延的翅片部分并未很好的起到换热作用，造成换热器部分尺寸浪费。排气管与换热器的过渡部分梯度过大，形成射流，气流在这个过渡区域产生涡流，造成次级噪声。从流场流线角度考虑，排气管与换热器过渡部分的锥度以及换热器的总体直径尚待优化，以使排气流能够在换热翅片之间能够充分发展。

a)方案A示意图　　　b)方案B示意图

湍动能是流体脉动的一种表现，湍动能越大表示流动脉动越剧烈，湍动能的产生和消失是密切相关的，湍动能大的地方，湍流耗散率也大，这也意味着较大的能量传递。方案A湍动能云图如图4中的a所示，进入换热器的高温气流正面冲击换热器翅片，在换热器的入口处，湍动能较大形成强湍流区，气流在此处产生较大的流动分离。在此区域，换热效率高，翅片温度高。从换热器入口至出口，湍动能逐渐减小，翅片温度随着传热效果的降低而降低。 方案B湍动能云图如图4中的b所示，仅在换热器的入口处由于气流撞击翅片产生湍流，之后大部分区域湍动能接近零。相对于方案A，流动脉动的活跃程度较小，影响其换热性能。

a)方案A　　　　b)方案B

方案A温度场如图5中的a所示，主换热器入口区域温度较高，温度从前至后呈阶梯状逐渐减小趋势。换热器整体起到了较好的换热作用，最低处温度可以达到700 K以上。强换热区域主要集中在换热器的前部，前后温差接近60 K。方案B温度场如图5中的b所示，换热器尺寸的放大，使得进入换热器的高温气流能够得到更为充分的发展。相对方案A，主换热器整体温度分布较为均匀。平均温度690 K，低于方案A，但是换热器的换热面积要高于方案A。

由于换热器的外表面平铺温差发电模块，主换热器的外表面温度分布不均匀会直接导致温差发电模块之间的工作差异，影响整体性能。尽管方案B的整体温度分布较均匀，但其前后仍存在温度差。因此，提高换热器的换热效率，改善温度分布的均匀程度，将是本课题下一步结构优化的重点。

a)方案A　　　　　　　　　　　　　　　b)方案B

排气压力对于发动机的正常运行有着重要的影响，排气阻力过大，会导致发动机燃烧室产生的废气无法及时地排除，导致气缸体内局部温度过高，引发早燃和爆燃，可燃混合气无法正常燃烧，产生大量的积碳。排气管上换热器的加入必然会增加排气压损，若排气阻力过大，会影响发动机的正常运行，因此压力是一个重要监测对象。

如图6中的a为方案A的压力云图，在换热器入口区域，可以看到翅片正面的迎风面静压较大。由伯努利定理可知，高温废气在撞击翅片后，速度减小，静压增大。随着气流向出口的扩展，静压逐渐减小，换热器对尾气产生较大的阻滞作用。方案B的压力云图如图6中的b所示，与方案A有较大的不同。换热器尺寸的扩大使其在近翅片区域有较大的梯度，产生的射流在换热器入口区获得较好的扩散。翅片迎风面的静压远小于A。随着废气向换热器的后方发展，静压呈逐渐增大趋势。因此方案B对于排气的阻滞作用较小。

a)方案A　　　　　　　　　　　　　　　b)方案B

四、结　语

本文设计了一套汽车排气余热回收装置，主要运用CFD的方法对其主换热器A和B两种方案进行了仿真，结果如下：(1)方案B优于方案A，相对于A方案，B方案的换热量更大，压损更小；(2)方案B中，主换热器入口的过渡梯度当前状态并不理想，后期应根据射流，优化锥形过渡的角度；(3)方案B排气管局部扩大的设计与排气管消声器的设计类似，而换热器中产生的湍流噪声会造成二次噪声污染。将温差发电装置与消声器结合起来设计，通过换热器内部结构优化，在利用余热发电的同时，控制换热器的二次噪声污染，甚至起到消声器的作用，值得后续进一步研究。

[1] 涂小亮,倪计民,石秀勇.汽车发动机排气余热温差发电技术[J].汽车技术,2015(4).

[2] 徐立珍,李彦,杨知,等.汽车尾气温差发电的实验研究[J].清华大学学报(自然科学版),2010(2).

[3] 孙强.基于CFD的车用尾气余热温差发电装置流场分析及优化[D].武汉理工大学硕士论文,2012.

Design of Thermoelectric Generator Applied on Road Vehicle Engine Exhaust Based on CFD

SHEN Xia-wei , ZHOU Zhong-you

(School of Mechanical and Electrical & Automotive Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

The temperature difference power generation technology is used onto the exhaust pipe and we design a thermoelectric generator . The two kinds (A&B) of main heat exchanger (TEG) are designed and 3D models built. According to simulation, the flow filed of TEG was calculated. Results show that the option B was higher thermal efficiency, less pressure loss, relative to the option A. So the option B has better feasibility.

road vehicle engine exhaust; heat recovery; Computational Fluid Dynamics; thermoelectric generation

2016-03-11

本文系2015年度浙江省教育厅科研课题“汽车排气余热回收发电系统设计及优化研究(Y201533907)”的成果之一。

沈夏威(1987-)，男，浙江湖州人，工程师，工程硕士，主要从事汽车空气动力学研究；周忠友(1982-)，男，黑龙江鹤岗人，讲师，高级技师，主要从事汽车维护技术研究。

TH122

A

1672-2388(2016)03-0062-04