废气再循环冷却器沸腾试验方法研究

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摘要：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，

　　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。

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