基于全新集成式进气管-歧管-中间冷却器解决方案的案例

    涡轮增压器和中间冷却器在大多数活塞发动机中，进气是通过活塞向下行程造成压力下降从而将空气吸入气缸的。涡轮增压器和超级增压器通过在空气进入进气歧管前压缩空气，迫使更多空气进入气缸，让每个发动机循环产生更大功率，从而达到提升内燃机性能和效率的目的。但是在涡轮增压器压缩空气的同时，空气温度也会上升，导致能够压入气缸的空气密度减少和空气质量受限。这样进而会影响燃烧能力。高进气温度还会增大提前点火或爆震的风险，可能给发动机造成严重损坏。多年来最先进的涡轮增压和超增压发动机（例如赛车使用的发动机），已经采用中间冷却器来去除空气压缩密度加大后产生的热量。最常见的中间冷却器是空气-空气中间冷却器，其使用大气来降低进气温度。这种类型的中间冷却器相对简单便宜，但其效率受到所接触的环境空气的量及温度限制。

图1 将空气-水中间冷却器与空气歧管集成，能明显降低成本和重量

    空气-水中间冷却器使用水从空气中吸取热量，能显著提升性能。但是空水中间冷却器过去很少用在成批生产型车辆上，因为这种中间冷却器需要泵、散热器、液体和管道，会显著增加车辆的成本和重量。汽车设计的一大新趋势是使用更轻便、更紧凑、更低成本的空水中间冷却器，因为这种中间冷却器能够集成到进气歧管中。但是要高效集成中间冷却器和进气歧管颇有难度。进气和冷却水必须沿集成式进气管—歧管—中间冷却器流动，这样才能保持高水平的热交换，从而在保持低气温的同时最大限度地减轻造成发动机效率下降的压力损耗。玛涅蒂玛瑞利公司工程师使用ANSYS计算流体动力学(CFD)软件优化新型集成式进气管—歧管—中间冷却器的性能，所用时间仅为以往仿真方法所需的一小部分。

为复杂系统建模

    使用常规的构建测试方法反复设计这种复杂系统成本高昂且非常耗时，因为涉及大量的设计参数，而且物理测试采集到的信息量有限。另一方面由于其复杂的内部几何结构，该产品会带来巨大的仿真难题。其几何结构包含众多微型波道，用于让空气沿弯折路径穿越中间冷却器，以尽量把热量传递到周围的液体中去。准确地捕获上述这些关键变量（速度、压力和温度等）可能发生突变的区域中的流体行为，一般要求通过生成膨胀（边界）层的方法来加密网格。过去玛涅蒂玛瑞利公司的工程师在这些应用中使用混合网格法，在边界层中布置六面体单元，在剩余流体体积中使用计算强度较低的四面体单元。

    但在本例中考虑到波道几何结构极高的复杂性，要创建优质的混合网格需要较长的求解时间，即便借助大量计算资源也是如此。

    由于通过产生湍流来提高热传递的流阻存在，六面体主导的网格不可行。即便是忽略流阻，把微通道假定为不规则四边形横截面的常规流通道来进行网格剖分，也会产生非常多的单元数量和不均匀的网格密度，导致较长的求解时间。

多物理场仿真

    Magneti Marelli工程师在ANSYS CFX中通过使用定向损耗模型解决了这一问题，该模型基于针对多孔介质中流体流动的Darcy动量损耗公式。使用该模型，工程师能够结合Darcy法则求解给定域中Navier-Stokes公式的广义形态，这种形态考虑了介质的体积空隙率并使用Darcy法则表达压力差。工程师运行仿真并将结果与物理测试比较。然后他们调整用于控制中间冷却器在仿真中的孔隙率水平的线性和二次损耗系数，以与用物理实验测得的跨中间冷却器的空气压力损耗匹配。在校准模型后，它与物理测量密切相关，同时所用时间比模拟进气管—歧管—中间冷却器完整几何结构所需的求解时间要少得多。该仿真提供的设计备选方案的性能估算比以往的手工计算要精确得多。基于不规则四边形单元的CFD模型需要三天求解时间，而基于Darcy法则的模型单元数量减少1,200万个，只用一天即可完成求解。

图2 中间冷却器中的微小波道给分析带来了严峻挑战

图3 较传统的方法采用不规则四边形横截面来网格化波道，会导致求解时间过长

    借助经过验证的模型，Magneti Marelli工程师评估了众多设计参数对中间冷却器的热交换和两端压差的影响。他们还将压力场导出到ANSYS Mechanical，进行结构仿真以评估结构的稳定性。在设计流程的各个阶段，工程师 使用ANSYS DesignXplorer迅速完成整个设计空间的迭代， 找出最符合指定设计目标的参数值。该团队现在使用仿真研究数种其他复杂现象，例如空气进气歧管内侧的凝结效应以及当起动电机启动发动机时进气系统中发生的水锤效应。

    在设计流程中尽早使用仿真，通过在较早阶段实现以往无法企及的设计优化，大幅节省了时间和成本。该公司预计与此前使用的设计方法相比，他们既能实现更高性能，还能减少所需的原型迭代次数。当前设计显著增强了中间冷却器的热交换能力，与之前的中间冷却器设计相比将出口温度降低了8%，从而提高了发动机的性能。新设计还通过降低总体压力损耗，将燃油经济性提升5%。该项目还在继续进行，工程师目前重点优化的是系统的结构和热稳定性。Magneti Marelli的集成式进气道-歧管-中间冷却器技术已得到主要汽车制造商的积极响应，并正在将这种新设计应用到即将问世的车型上。