充气冷却器流动均匀性增强：一种差异流阻方法及其数值与实验验证

《Case Studies in Thermal Engineering》：Flow uniformity enhancement in charge air cooler: A differential flow resistance approach with numerical and experimental validation

　　

流动均匀性对于充气冷却器（CAC，Charge Air Cooler）的性能和可靠性至关重要。为解决其内部流动分配不均问题，研究人员提出一种基于差异流阻（differential flow resistance）的新型多管CAC设计。该方法在保持原有集流室几何结构不变的前提下，通过对管束组件进行具有不同阻力特性的配置来改善流量分布。研究人员基于STAR-CCM+建立多孔介质（porous media）模型，用于准确表征管束组件的水力阻力系数。实验验证结果表明，CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）预测与实测吻合良好，压降误差低于3%。改进设计实现了以下效果：（1）流动均匀性系数（γ）提高1.10%–3.91%；（2）流动不均匀分配比（Rm）降低0.09–0.48；（3）总压降增加12.48%，同时核心区对总压损失的贡献降低4.60%。该方法为几何约束条件下紧凑式换热器的流动改善提供了理论依据与工程价值，并可推广至其他紧凑型热管理系统。

本研究发表于《Case Studies in Thermal Engineering》，针对汽车增压系统中充气冷却器内部流量分配不均、局部过载与换热利用率不足的问题展开。充气冷却器位于涡轮增压器与发动机进气歧管之间，其作用不仅在于降低增压空气温度、提高容积效率，还可抑制爆震倾向并减少NOx生成。随着传统内燃机、混合动力、氢内燃机及燃料电池车辆对热管理性能要求不断提高，如何在包装尺寸受限的条件下优化CAC内部流动均匀性，已成为关键工程问题。现有研究多集中于结构优化、换热强化和耐久性提升，而对核心流动均匀性的系统研究相对不足，且集流室重构、导流板等方案往往受限于布置空间和制造复杂度。因此，研究人员提出“差异流阻”思路：不改变集流室外形与内部边界，而是在核心区通过不同阻力等级的管束实现被动流量再分配。研究中，研究人员采用三种不同高度与涡流扰流器参数的管型构建39管多管核心，并利用多孔介质模型与Realizable k-ε湍流模型开展稳态CFD分析；随后通过风洞平台在25 ℃等温条件下对基准与改进样机进行对比测试。结果表明，改进设计能够将中心区域过高流量向周边区域重新分配，使流量分布更接近均值，均匀性系数显著提升，流动不均匀分配比降低，同时总压降增加但幅度可接受，且核心区压损占比下降。该结论说明，管级阻力分级是一种适合包装受限CAC的有效流动均匀化策略。
研究方法主要包括：基于STAR-CCM+的稳态CFD计算、将管束等效为多孔介质并用Darcy-Forchheimer关系辨识阻力系数、采用Realizable k-ε湍流模型、以及在风洞中对基准样机进行等温实验验证，样机来自重型柴油发动机用CAC管束组合。
4.2 模型验证：通过基准CAC在风洞中的压降测试与数值结果对比，确认CFD模型在0.1–0.6 kg s^?1工况下具有良好准确性，压降相对误差为?2.1%至+2.9%，说明所建多孔介质模型可可靠表征核心流动。
4.3 流场分析：通过速度云图对比发现，基准CAC中靠近入口的管束流量明显偏高，远离中心的管束偏低，最大偏差可达?37%；改进后中心流量被削减、外围流量被抬升，最大偏差降至?30%，表明流量由“富集区”向“贫流区”发生再分配。
4.4 流量均匀性随质量流量变化：通过均匀性系数γ与Rm评价可知，基准CAC的γ为88.58%–91.52%，改进后提升至92.49%–92.99%；Rm由1.74–2.29收窄至1.80–1.95。说明在全部考察流量范围内，差异流阻设计均能改善流量分配，但在最低流量下优势不明显。
4.5 多管设计对均匀性的影响：通过单管质量流量分布分析可见，改进结构使多数管束偏差向均值收敛，最大流量降低、最小流量升高，证明多管阻力分级能够有效削弱极端流量差异。
4.6 多管设计对压降的影响：通过总压降对比可知，改进CAC的压降较基准增加8.33%–16.47%；在0.3 kg s^?1工况下，总压降增加381 Pa，其中入口室增加194 Pa、核心增加50 Pa、出口室增加138 Pa。虽然绝对压损升高，但核心区对总压损失的贡献下降4.60%，说明阻力分配发生了重新平衡。

讨论与结论：研究人员认为，在集流室几何不可更改的条件下，通过调节管束级阻力实现被动流量再分配，是提升CAC流动均匀性的可行方案。该方案的主要优势在于无需改变外部边界和集流室结构，兼顾工程可实施性与性能改善；其代价是总压降略有上升，但额外泵功很小，通常不足1 W，对整车影响有限。论文最终指出：差异流阻多管CAC能够在固定结构约束下显著改善流量均匀性，降低流动偏差，并使压损在各部件间重新分配；后续研究应进一步优化管束排布，并扩展到更低流量工况及其他紧凑式换热器设计。