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EGR热交换器特性分析及结构改进

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要内容

2 对流传热及其数值模拟简介

2.1 引言

2.2 对流传热基本知识

2.2.1 对流传热及其影响因素

2.2.2 边界层概述

2.3 CFD简介

2.4 对流传热问题的数值模拟

2.4.1 建立物理与数学模型

2.4.2 建立网格

2.4.3 确定建立离散方程的方法

2.4.4 选取对流项的离散格式

2.4.5 对边界条件进行离散化处理

2.4.6 求解代数方程

2.5 FLUENT软件简介

2.6 课题模型简介

2.7 小结

3 EGR热交换器的流动换热性能分析

3.1 引言

3.2 冷却水通道数值分析

3.2.1 有限元模型

3.2.2 边界条件及求解方法

3.2.3 计算结果及分析

3.3 废气通道数值分析

3.3.1 有限元模型

3.3.2 边界条件

3.3.3 相关参数

3.3.4 计算结果及讨论

3.2.5 传热特性及阻力特性分析

3.2.6 不同雷诺数(即不同入口速度)下冷却效果的比较

3.4 小结

4 改进后的EGR热交换器的流动换热性能分析

4.1 引言

4.2 EGR热交换器结构改进

4.3 改进后冷却水通道数值模拟

4.3.1 有限元模型

4.3.2 计算结果及分析

4.4 EGR热交换器热力校核计算

4.4.1 EGR热交换器温度效率计算

4.4.2 EGR热交换器压降分析

4.5 EGR热交换器芯体模型数值模拟

4.5.1 计算模型

4.5.2 边界条件

4.5.3 计算结果及分析

4.6 小结

5 EGR热交换器结构特性分析

5.1 引言

5.2 耦会场分析概述

5.3 EGR热交换器管板热应力分析

5.3.1 热应力求解

5.3.2 热应力分析

5.3.3 温度、压力叠加应力分析

5.4 EGR热交换器模态分析

5.4.1 结构有限元模型

5.4.2 模态分析过程

5.4.3 模态分析结果及分析

5.5 EGR热交换器谐响应分析

5.5.1 谐响应分析的理论基础

5.5.2 ANSYS谐响应分析求解过程

5.5.3 计算结果及分析

5.6 小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

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摘要

废气再循环(EGR)热交换器是废气再循环系统的关键部件,设计和制造重量轻、体积小、散热效率高、价格低的EGR热交换器是实施EGR技术的重要前提。本文应用数值模拟的方法研究了EGR热交换器的传热流动特性以及结构特性。具体进行了以下五个方面的工作:
   (1)针对某种EGR热交换器结构,建立冷却水通道模型及废气通道模型,并用FLUENT软件计算了各自的温度场、流场和压力场,得到各自的分布规律。研究发现:冷却水在各个子通道内的温度分布不均匀,并且冷却水在某个区域出现了沸腾现象。通过对比三种不同的翅片结构模型,发现当Re<1500时,间距为1.5mm的翅片换热效果较好,当Re>1500时,间距为2.25mm的翅片换热效果较好。
   (2)对原有结构作出改进并建立冷却水通道模型,重新计算其温度场、流场和压力场。研究发现,结构的改进使温度场、流场分布更加均匀,同时还避免了冷却水的沸腾现象,改善了EGR热交换器的换热性能。
   (3)根据传热学理论研究了EGR热交换器的传热和流动阻力特性,并对EGR热交换器进行了热力学校核计算。在此基础上与已有的试验结果作比较,发现数值计算结果与试验结果吻合较好。
   (4)应用ANSYS软件对EGR热交换器管板作了热—结构应力耦合分析。研究表明:在工作工况下,管板的强度和刚度是满足要求的。
   (5)建立了动力学分析有限元模型,并应用ANSYS软件对EGR热交换器进行模态和谐响应分析,研究表明:热交换器结构的动力学性能良好,可以满足各种工况下的使用要求。

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