間冷燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)，通過間冷器大幅降低進(jìn)入高壓壓氣機(jī)氣流的溫度，減少高壓壓氣機(jī)的壓縮耗功，從而提高燃機(jī)的輸出功率，是燃機(jī)發(fā)展的重要方向。間冷器作為間冷循環(huán)燃機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)難點(diǎn)在于：換熱器流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏成熟設(shè)計(jì)方法;對(duì)換熱效率和緊湊度要求極高，同時(shí)又要求阻力損失極低;對(duì)換熱器加工工藝精確度和可靠性要求高。特別是對(duì)體積、重量、熱負(fù)荷、功耗、耐蝕性等有苛刻要求的間冷燃機(jī)系統(tǒng)，間冷器一直是多年來難以克服的技術(shù)瓶頸，制約著我國先進(jìn)燃機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

(來源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所)

中國科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱中心在研究所創(chuàng)新引導(dǎo)基金項(xiàng)目“燃機(jī)新型高效緊湊式間冷器研發(fā)”的支持下，開展了大中型燃機(jī)間冷器高效低阻傳熱機(jī)理、結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)、高精度加工和寬板幅焊接等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，先后取得了一系列重要成果。針對(duì)大中型燃機(jī)對(duì)間冷器高效、低阻、高緊湊性的要求，基于傳熱強(qiáng)化理論的最新成果結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)提出的“耦合分布、協(xié)同優(yōu)化”的換熱器設(shè)計(jì)思想，發(fā)展了新型氣液兩則流道局部和結(jié)構(gòu)形式。基于多目標(biāo)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化思想，在體積、重量、壓損等嚴(yán)格限制條件下，尋求綜合換熱性能最優(yōu)的板厚、肋高、通道寬和通道數(shù)量等多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)間的最佳組合，從而獲得Pareto最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)微小通道換熱器復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式和通道布局，基于多尺度耦合模擬技術(shù)結(jié)合周期性條件開展了大規(guī)模跨尺度高精度數(shù)值仿真研究，用于指導(dǎo)新型換熱結(jié)構(gòu)的開發(fā)和優(yōu)化定型;針對(duì)大寬幅大流量下流量分布不均的問題，基于熱質(zhì)傳遞理論開展入口區(qū)域流量分布均勻性研究，提出了多邊形換熱結(jié)構(gòu)流體入口區(qū)域通道分布新形式，有效提高了流量分布的均勻性。由于惡劣工作環(huán)境以及燃機(jī)啟停等運(yùn)行條件，使間冷器常處于非滿負(fù)荷設(shè)計(jì)工況條件下運(yùn)行，研究團(tuán)體建立了多變量非線性間冷模塊動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，用于研究各種惡劣條件非設(shè)計(jì)工況下間冷器性能及對(duì)燃機(jī)系統(tǒng)的影響。研究團(tuán)隊(duì)先后多次在研究所廊坊研發(fā)中心開展了全溫全壓間冷器實(shí)驗(yàn)縮比樣機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證，并邀請(qǐng)有關(guān)專家到測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和審核，測(cè)試結(jié)果顯示樣機(jī)冷熱流體兩側(cè)的換熱性能、壓力損失等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于原設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)際要求。測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果以及仿真結(jié)果對(duì)比顯示，熱負(fù)荷平均誤差在2%以內(nèi)，寬板幅出口截面溫度和壓力不均勻度小于1.5%，證實(shí)了研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的換熱器設(shè)計(jì)方法和大規(guī)模跨尺度數(shù)值仿真技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

研究團(tuán)隊(duì)基于“通道-芯體-整體”的由局部到整體換熱器設(shè)計(jì)思路，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)和放大，結(jié)合當(dāng)前加工焊接等工藝，完成了新型高效全尺寸原型機(jī)的設(shè)計(jì)、加工和制造，突破了寬幅板材流道設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、精密加工、無釬料焊接等關(guān)鍵技術(shù)，能夠滿足惡劣工作環(huán)境下高強(qiáng)度、耐腐蝕等嚴(yán)酷要求。近日，研究所加工的新型高效全尺寸間冷器原型機(jī)在相關(guān)單位測(cè)試平臺(tái)完成了全溫全壓全工況下性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于原設(shè)計(jì)和實(shí)際要求，與現(xiàn)有間冷器產(chǎn)品相比在綜合性能和加工工藝等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并得到有關(guān)單位領(lǐng)導(dǎo)專家的高度認(rèn)可。

間冷系統(tǒng)能夠有效提高燃機(jī)效率、降低燃油消耗，在間冷燃機(jī)系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。相比世界先進(jìn)的間冷燃機(jī)技術(shù)，國內(nèi)燃機(jī)技術(shù)水平尚有一定差距，其中間冷器正是制約間冷燃機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。工程熱物理所傳熱中心間冷器研發(fā)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過一年半的技術(shù)攻關(guān)，克服了通道形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯體優(yōu)化、整體成型等一系列從設(shè)計(jì)到優(yōu)化、從理論到工藝的技術(shù)難關(guān)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高效低阻緊湊式間冷器設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化思想，并在通道布局、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、加工焊接工藝等方面形成了多項(xiàng)國家發(fā)明專利。工程熱物理所全溫全壓全尺寸新型高效間冷模塊的研發(fā)成功，將我國大中型燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻技術(shù)提升到一個(gè)新的高度，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)空白，有助于我國先進(jìn)燃機(jī)技術(shù)早日趕超世界先進(jìn)水平。

圖1 熱負(fù)荷與參數(shù)分布協(xié)同角的關(guān)系(郭江峰等，Int. J. Heat Mass Transfer，2018)

圖2 新型換熱通道結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)理分析(崔欣瑩，郭江峰等, Int. J. Heat Mass Transfer, 2018)