废气再循环冷却器沸腾试验方法研究

陈方方 尉武杰 蔡子豪

摘要

主要研究废气再循环（EGR）冷却器在不同工况下的换热特性。借助计算流体动力学（CFD）分析工具，识别出冷却器在某一工况下的沸腾区域。在沸腾区域附近，借助于可视化观察窗及高频压力传感器，得到透明观察窗不同进气温度下的气泡形态与压力波动曲线的关系。结果表明，气泡形态与压力信号之间存在对应关系。由此，初步建立了判断EGR冷却器有无沸腾，以及其沸腾程度的方法。

关键词

废气再循环冷却器;过冷沸腾;压力信号;可视化

0 前言

废气再循环（EGR）冷却器的主要作用是在汽车运行过程中，将产生的高温废气经过冷却液侧进行冷却，再返回到发动机缸体。EGR冷却器是汽车热管理系统中重要且不可或缺的一环。换热壁面在换热过程中，基于不同的EGR冷却器结构设计、壁面厚度、壁面材料等因素造成壁面局部过热，从而产生沸腾。前者通过影响壁面的温度场，后者通过影响气化核心的生成，使壁面产生局部过热，生成气膜，从而影响壁面质量，严重者甚至产生干烧现象，直到气液两侧相通。

沸腾对EGR冷却器结构及发动机系统均有不同程度的影响。主要影响包括：（1）冷却液成分析出并堆积在沸腾区域;（2）壁面电导率降低，进而换热效率降低，导致EGR冷却器的冷却效率减弱;（3）整个系统的耐腐蚀性能降低;（4）堆积物造成水箱或其他管类散热器堵塞。

沸腾对发动机的运行工况有很大程度的影响。因此，在EGR冷却器设计及验证阶段，考核不同边界条件下是否产生沸腾，以及沸腾程度对EGR产品来说有着重大的意义。

关于沸腾理论方面的研究，国内外学者已得出了大量的研究成果。其中，BERGLES与ROHSENOW[1]早先提出了在强迫对流下的过冷沸腾起始点预测模型，而后SATO和MATSUMARA[2]基于HSU[3]的成核理念，提出了在沸腾起始点时热流密度与壁面过热度的关系式。基于SATO和MATSUMARA的关系式，DAVIS和ANDERSON[4]提出了接触角也是影响泡核沸腾起始点（ONB）的1个重要因素。以上研究都是基于成核理论提出的ONB预测模型。在实验室内的相关验证方面，一些研究人员先后提出了垂直向上圆管流动的临界热流预测关系式，以及垂直远观均匀加热的临界热流预测关系式。这2个关系式主要关注由核态沸腾转变为过度沸腾状态的转折点——临界热流密度（CHF）。在有效空泡起点（OSV）和充分发展沸腾（FDB）这2种状态之间， SAHA和ZUBER[5]利用佩克莱数和斯坦顿数得到了FDB的预测模型。部分学者认为，在低流速下，气泡脱离主要受到热力影响，因此在某一努塞尔数下沸腾形式将发生改变，沸腾传热由部分发展沸腾进入充分发展沸腾阶段;在高速流下，气泡脱离主要受动力学效应影响，在某一斯坦顿数下沸腾进入充分发展沸腾阶段。

国内也有学者对于沸腾现象进行了深入的研究。张体恩[6]提出了基于气泡行为的缸盖沸腾冷却应用研究，通过核化理论、气泡动力学、沸腾模式，以及联合换热特性的研究和试验参数的测量，分析并建立了缸盖沸腾换热的设计流程。

本文基于某款EGR冷却器，通过计算流体动力学（CFD）仿真分析的手段得出沸腾区域，并在沸腾区域附近对样件开透明观察窗，直观观察产品在不同阶段的沸腾情况;同时，在不同的测试工况下，运用高频压力传感器监测测试工况下的压力信号，并对观察到的气泡形态与压力波动结合评估EGR冷却器的沸腾情况，进而得到该EGR产品在设计研发中的性能安全区域，为设计研发提供方向。

1 CFD仿真分析

1.1 测试模型及边界

研究人员选取某款EGR产品作为分析对象。该EGR产品模型图及产品进气、出气、进水、出水位置通道如图1所示。研究人员对模型进行一定的简化处理，并基于表1给定的边界条件进行了CFD分析。

1.2 分析结果

研究人员通过一定的简化处理，并根据沸腾曲线，设置1个模态沸腾临界值，得到了水侧管壁的模态沸腾区域结果，如图2所示。

研究人员通过CFD分析找到沸腾区域，布置可观察的透明窗位置进行试验验证。基于图2所示的分析结果，可以在有明显沸腾现象的气侧壳体上开窗，进行可视化观察。

2 试验方案设计及验证

2.1 样件制作

如图3所示，根据CFD分析结果，研究人员在气室壳体上开窗并布置透明观察室，用于进行可视化测试。基于文献的记载，以及实验室多年的经验积累，研究人员在沸腾区域附近用高频压力传感器信号，捕捉到了气泡的一些行为特征。

2.2 试验系统介绍

试验要求测试沸腾试验的设备能够提供恒定的气侧进气温度、进气流量、进气压力，水侧进水温度、进水流量、进水压力等参数，并能实现数据记录采集等功能。研究人员设计的试验系统如图4所示。

2.3 测试过程

研究人员将待测EGR样件（带透明观察窗）安装在测试系统上，同时将高频的压力传感器安装在图3压力测点位置，对测试传感器进行了设置调试。

在进行试验时，研究人员依据表2提供的试验验证边界条件，控制水侧条件（压力、流量、温度）全部稳定不變，在气侧给定流量，给定压力，逐步升高气侧温度，同时记录观察窗位置的气泡形态及压力传感器位置的压力值。在试验过程中，气侧升温按照稳定速度进行升温，每隔30 ℃升温后保持稳定5～10 min，并观察气泡形态。

2.4 测试结果与分析

2.4.1 气泡形态测试结果

根据上述测试过程，研究人员通过透明观察窗对气泡形态进行观察，观察到的结果如图5所示。

在210 ℃进气温度条件下，透明观察窗的冷却液中几乎没有气泡;在310 ℃进气温度条件下，透明观察窗的冷却液中出现了连续的小气泡;在410 ℃进气温度条件下，透明观察窗的冷却液中出现了连续的大气泡，且气泡量较多。

2.4.2 压力测试结果

通过压力测试，研究人员得到了该款EGR产品进气温度与外接的压力变送器的压力测试结果，如图6所示。

通过分析采集到的数据，研究人员可以看到在某2个温度梯度升温过程中出现了异常明显的压力阶梯（进出水压力降）。

研究人员将图6中的数据图进行局部放大后，截取不同平稳温度段下的压降曲线后发现了更明显的压力波动现象。如图7所示，在进气温度200 ℃条件下，沸腾区域附近的压力曲线呈现比较规则的正弦信号。如图8所示，在进气温度310 ℃条件下，沸腾区域附近的压力曲线有微小波动。如图9所示，在进气温度420 ℃条件下，沸腾区域附近的压力曲线出现无规则的振荡。

上述压力曲线的表现结果意味着EGR冷却器产生沸腾的情况发生在进气温度为310～420 ℃之间。

2.4.3 结果分析

通过比对透明观察窗的观察结果，研究人员得到了一致的结论：在进气温度200 ℃条件下，该款EGR产品未出现沸腾现象;在进气温度310 ℃条件下，该款EGR产品出现轻微沸腾现象;在进气温度410 ℃条件下，该款EGR产品出现明显沸腾现象。

3 结论

针对某款EGR产品，研究人员通过CFD分析确定了沸腾区域，并在沸腾区域附近借助透明观察窗和压力传感器同步观察沸腾现象。

试验结果表明：气泡行为与压降信号有着紧密的联系。在沸腾的不同阶段，对应的压力信号幅值及波形的稳定性，均有差异。在工程应用中，利用本方法可以有效的分辨出沸腾边界，最后可将沸腾的各个阶段与压力信号进行一一对应，并可以借助于高速相机来进行逐一区分。

参考文献

[1]BERGLES A E， ROHSENOW W M. The determination of forced convection surface-boiling heat transfer[J]. ASME J. Heat Transfer， 1964，1： 365-372.

[2]SATO T， MATSUMARA H. On the conditions of incipient sub-cooled boiling with forced convection [J]. Bull. JSME， 1964，7（26）： 392-398.

[3]HSU Y Y. On the size range of active nucleation cavities on a heating surface[J]. ASME J. Heat Transfer， 1962， 84（3）： 207-213.

[4]DAVIS E J， ANDERSON G H. The incipience of nucleate boiling in forced convection flow[J]. AIChE J， 1966，12（4）： 774-780.

[5]SAHA P， ZUBER N. Point of net vapor generation and vapor void fraction in sub-cooled boiling[C]. 5th International Heat Transfer Conference， Tokyo， 1974：175-179.

[6]張体恩. 基于气泡行为的缸盖沸腾冷却应用研究[D]. 北京理工大学，2015.