柴油机废气再循环冷却器翅片断裂分析及优化

曹亮亮 袁天京 黄 悦 杨樟世 季钱兵 黄海波

1.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

2.浙江银轮机械股份有限公司 浙江台州 317299

1 研究背景

柴油机的排放物中,氮氧化物严重危害人类健康。采用废气再循环技术,能够有效减少柴油机氮氧化物的排放[1]。在废气再循环系统中,尾气经过废气再循环冷却器、废气再循环阀,进入发动机气缸再次实现燃烧[2-3]。在这一过程中,废气温度降低,使发动机燃烧最高温度降低,进而减少氮氧化物排放。这一过程同时还可以减少碳烟排放,提高燃油经济性。

废气再循环冷却器中,翅片结构因具有较好的散热性能而被广泛使用。翅片同时是主要的受热部件,会造成一定的热疲劳问题[4-5]。某款柴油机在台架上进行负荷循环耐久试验时,出现因废气再循环冷却器进气口直齿翅片碎裂导致的阀卡滞现象,超过90%的翅片发生断裂。翅片断裂如图1所示。对于这一问题,已有一些解决方案,如通过使用导流板或水侧翅片优化水侧流场,以提高低流速区域的流速,从而降低壁面温度[6-7]。废气再循环冷却器进气端采用浮动结构设计,采用波纹管等柔性结构释放热应力。也有在入口端对换热单元采用气侧换热弱化手段,如使用平直翅片,以降低壁面温度,减小温度梯度,从而降低沸腾和热疲劳风险[8]。

图1 翅片断裂

笔者以柴油机废气再循环冷却器为研究对象,针对极端工况进气温度800 ℃,采用热流固耦合仿真分析方法计算得到三种较好翅片优化方案的废气再循环冷却器温度场。然后以这一温度场为求解热负荷的边界条件,计算得到废气再循环冷却器所产生的热应变。通过多种方案相结合的方式,最终解决废气再循环冷却器翅片碎裂问题。

2 热流固耦合基本原理

废气再循环冷却器热流固耦合的传热计算,关键在于计算流体与固体及流固交界面处的热量传递。根据热力学理论,在废气再循环冷却器流固交界面处,固体传出的热量等于流体吸收的热量。在流体部分,广泛采用k-ε湍流模型来计算流体与壁面的对流换热边界条件。标准k-ε湍流连续性方程为[9]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

式中:ρ为液体密度;k为湍动能;μi为液体流速;μ为黏度;μt为涡黏度;σk为k的湍流普朗特数;Gk为由平均速度梯度产生的湍流;Gb为由浮力产生的湍流;ε为湍动能耗散率;YM为由扩散产生的湍流;Sk为用户定义源项;xi、xj代表各方向分量,i、j=1,2,3。

废气再循环冷却器属于热弹性模型,弹性体随着温度的变化,内部每个单元之间受到体积的膨胀或者收缩,产生热应变[10]。热弹性位移方程为:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:λ为拉梅常数;G为剪切模量;e为能量系数;▽2为拉普拉斯算子;μx、μy、μz依次为x、y、z方向上的位移;β为放热系数;T为温度;α为线膨胀系数;E为弹性模量;ν为泊松比。

3 废气再循环冷却器建模

对废气再循环冷却器进行三维建模。废气再循环冷却器主要由端盖、外壳、主板、直齿翅片、曲齿翅片、冷却管等组成,其中,直齿翅片、曲齿翅片在冷却管内起主要的热传导作用。废气再循环冷却器模型如图2所示。废气再循环冷却器模型尺寸较大,为了减少计算资源,保证计算精度,根据文献[11-12],对模型进行处理。流体温度场温度变化区域主要集中在进气口端,加之主要分析翅片断裂问题,由此切除废气再循环冷却器部分实体,保留进气端170 mm长模型,原模型与处理后模型对比如图3所示。应用Ansa软件,对流体区域和固体区域分别进行网格划分。其中,冷却管与翅片划分六面体网格,其余部分采用四面体进行划分,网格尺寸为0.5～1 mm,网格数量约为6 000万。最终生成的废气再循环冷却器网格模型如图4所示。选择标准k-ε湍流模型和分离式求解器,压力和速度仿真过程选择SIMPLE算法,边界条件见表1。假设废气再循环冷却器流体与壁面的换热过程平稳,换热管传热系数为定值,忽略重力和废气再循环冷却器各部分受热变形对水流变化的影响。

表1 边界条件

图2 废气再循环冷却器模型

图3 原模型与处理后模型对比

图4 废气再循环冷却器网格模型

4 热流固耦合计算过程

对废气再循环冷却器进行三维建模,在Ansa软件中进行几何处理和网格划分。将建立的网格模型导入Fluent软件,建立流体仿真模型,对废气再循环冷却器流场进行计算,得到温度场结果。进入Workbench软件Steady-State Thermal模块,将Fluent软件解算得到的流固边界温度加载至废气再循环冷却器的流固交界面上,可解算得到废气再循环冷却器固体壁面温度场。在Workbench软件Static-Structural模块中将Steady-State Thermal模块解算得到的固体壁面温度场加载至固体区域,并设置相应的约束,计算废气再循环冷却器固体区域的热应变。

5 翅片断裂分析

将废气再循环废气温度边界条件加载到冷却器,对直齿翅片按照SUS316不锈钢材料达到屈服后非线性计算,得到翅片结构温度分布和塑性应变分布,分别如图5、图6所示。从图中不难看出,废气再循环废气的高温区域主要集中在进气口直齿翅片上,正对进气口区域是高温的主要集中区域。温度越高,材料的膨胀量越大。因此,高温区域也是翅片发生断裂的主要区域,最高温度为748.78 ℃。翅片圆角位置是发生塑性应变的主要位置,塑性应变最大为0.051 631。经过冷热循环试验,翅片在2 000次循环后发生断裂,断裂的主要区域也是在翅片圆角位置。对断裂处进行扫描电镜观测,出现明显的疲劳辉纹,符合疲劳失效特征。断裂处扫描电镜图像如图7所示。根据文献[13]研究,材料屈服后应变变化较大,应力变化相对较小,低周疲劳使用应变作为疲劳控制参量更为恰当。为了缩短计算时间,对翅片材料达到屈服后的非线性也按照线性设置进行计算,翅片结构弹性应变分布如图8所示,最大应变为0.033 614。

图5 翅片结构温度分布

图6 翅片结构塑性应变分布

图7 断裂处扫描电镜图像

图8 翅片结构弹性应变分布

6 废气再循环冷却器优化

文献[14]将SUS444不锈钢材料应用于废气再循环冷却器,研究表明选择较低热膨胀系数及较大导热系数的材料,能够减小冷却管的热应力,并且提高换热性能。为了减小翅片热应力,选用SUS444不锈钢材料代替原有的SUS316不锈钢材料,应用于直齿翅片。

翅片厚度增大,一方面能够增大导热面积,降低翅片温度,另一方面可以提高结构强度,降低断裂的可能性。为此,将翅片厚度由0.16 mm增大至0.3 mm。

由于翅片前端2 mm得不到冷却液直接冷却,温度比较高,因此将翅片向内,即出气口方向缩进2 mm,缩进方式为将原长20 mm的翅片截去2 mm,使翅片前端得到冷却液的直接冷却,从而达到降低翅片温度的目的。翅片缩进前后截面对比如图9所示。

图9 翅片缩进前后截面对比

仿真计算边界条件不变,方案一为将翅片材料更换为SUS444不锈钢,方案二为将翅片厚度增大0.14 mm,方案三为将翅片长度截去2 mm,从而达到向内缩进的目的。对废气再循环冷却器进行热流固耦合仿真计算,得到三种方案翅片结构的最高温度和最大弹性应变,分别如图10、图11所示。

图10 翅片结构最高温度对比

图11 翅片结构最大弹性应变对比

由仿真计算可知,翅片材料由SUS316不锈钢更换为SUS444不锈钢,翅片结构最高温度为720.13 ℃,降低28.65 K。翅片结构最大弹性应变位于圆角处,大小为0.020 558,减小38.84%。因此,翅片材料更换为SUS444不锈钢对翅片温度降低作用微弱,但是对减小弹性应变有重要作用。

翅片厚度增大0.14 mm后,计算得到翅片结构最高温度为678.21℃,降低70.57 K,最大弹性应变为0.016 715,减小50.27%。因此,增大翅片厚度对降低温度及减小弹性应变都有重要作用。

将翅片向内缩进2 mm后,翅片结构最高温度为679.89 ℃,降低68.89 K。弹性应变主要集中在圆角处,最大弹性应变为0.029 556,减小12.07%。可见,将翅片向内缩进对翅片温度降低起到重要作用,对减小弹性应变起到一定作用。

为了降低翅片温度及减小弹性应变,满足产品使用要求,选择将三种方案相结合,形成综合方案,完成最终优化。通过仿真计算,得到综合方案的翅片结构温度分布和弹性应变分布,分别如图12和图13所示。翅片结构最高温度为591℃,降低157.69 K,最大弹性应变为0.009 143,减小72.79%。

图12 综合方案翅片结构温度分布

图13 综合方案翅片结构弹性应变分布

7 试验验证

翅片断裂的废气再循环冷却器,使用废气再循环冷热循环试验台进行冷热循环试验,试验工况采用高温进气800 ℃、低温进气140 ℃、流量420 kg/h、加热时间25 s、冷却时间25 s、冷却液进液温度90 ℃、冷却液流量200 L/min。经过2 000次冷热循环后,观测到翅片开裂,并且存在较大的变形,开裂位置为翅片圆角处。冷热循环试验翅片开裂如图14所示。

图14 冷热循环试验翅片开裂

采用综合方案,经过50 000次冷热循环,翅片无开裂,如图15所示,验证了应用SUS444不锈钢材料,增大翅片厚度,将翅片向内缩进是解决废气再循环冷却器翅片断裂的有效方法。

图15 50 000次冷热循环后翅片

8 结束语

笔者对废气再循环冷却器翅片进行分析,发现翅片圆角位置是发生塑性应变的主要位置,所产生的最大塑性应变为0.051 631,最大弹性应变为0.033 614。结合翅片断裂位置的扫描电镜图像,可以断定翅片断裂为热疲劳失效。

将翅片材料由SUS316不锈钢改为SUS444不锈钢后,在进气温度高达800 ℃的工况下,翅片最高温度降低28.65 K,最大弹性应变减小38.84%。将翅片厚度由0.16 mm增大至0.3 mm后,翅片最高温度降低70.57 K,最大弹性应变减小50.27%。将翅片向内缩进2 mm后,翅片最高温度降低68.89 K,最大弹性应变减小12.07%。由分析结果可见,增大翅片厚度及缩进翅片对翅片温度降低有重要作用,更换为SUS444不锈钢材料和增大翅片厚度对翅片弹性应变减小有重要作用。

采用综合翅片方案进行仿真计算,翅片最高温度降低157.69 K,最大弹性应变减小72.79%。冷热循环试验表明,失效废气再循环冷却器在2 000次循环后,翅片在圆角位置开裂。而采用综合方案,50 000次循环后翅片仍无开裂。