doi: 10.52899/24141437_2025_04_553
УДК: 621.431.74

Проектирование и исследование эффективности охладителя рециркуляции отработавших газов судового двигателя методом CFD-моделирования на цифровой платформе

Черкаев Г. В., Чан Х. Б.
Язык статьи:
Ссылка для цитирования: Черкаев Г.В., Чан Б.Х. Проектирование и исследование эффективности охладителя рециркуляции отработавших газов судового двигателя методом CFD-моделирования на цифровой платформе // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 4. С. 553–564. DOI: 10.52899/24141437_2025_04_553 EDN: SLBRSW

Аннотация

Актуальность. В статье представлен проект кожухотрубного охладителя рециркулирующих газов для морских дизельных двигателей и выполнен анализ его эффективности. Актуальность исследования обусловлена постоянно ужесточающимися нормативами в области контроля и снижения выбросов загрязняющих веществ от судовых двигателей. Цель ― оптимизация системы рециркулирующих газов для снижения выбросов NOx и повышения производительности двигателя путем улучшения конструкции охладителя. Методы. Для моделирования потока и распределения температуры внутри охладителя использовалось программное обеспечение Ansys Fluent, что позволило оптимизировать эффективность охлаждения и конструкцию системы. Моделирование процессов показало, что регулировка расхода охлаждающей жидкости и структуры труб теплообменника значительно улучшает эффективность охлаждения, при этом минимизируется потребление энергии. Результаты. Результаты исследования показывают, что при коэффициентах рециркуляции газов 30% и 40% выбранная конструкция охладителя полностью удовлетворяет требованиям по охлаждению рециркулирующих газов, при этом минимальная температура охлаждения может быть снижена до 133˚C. Результаты анализа могут быть полезны при проведении расчетов для улучшения и повышения эффективности охлаждения существующего охладителя. Заключение. Методология исследования может быть применена к другим дизельным двигателям морских судов, что способствует повышению топливной эффективности и снижению воздействия на окружающую среду. Ключевые слова: рециркуляция выхлопных газов (EGR); судовой двигатель; проектирование охладителя; численное моделирование; Ansys Fluent; распределение температуры; снижение выбросов.

Список литературы

1. Pierpont D.A., Montgomery D.T., Reitz R.D. Reducing particulate and NOx using multiple injections and EGR in a D. I. diesel // SAE Technical Paper. 1995. № 950217. doi: 10.4271/950217
2. Agarwal A., Batista R.C. CFD Analysis of Flow Behavior and Thermal Performance in Single and Multi-Inlet EGR Coolers // International Journal of Heat and Technology. 2023. Vol. 41, № 3. P. 673–678. doi: 10.18280/ijht.410320 EDN: UOWEPA
3. Charnay L., Ångström H.-E., Andersson L. CFD Optimization of an EGR Cooler for Heavy-Duty Diesel Engines // SAE Technical Paper. 2001. № 2001-01-1755. doi: 10.4271/2001-01-1755
4. Agarwal A., Molwane O.B., Pitso I. Numerical analysis and performance enhancement of compact heat exchanger using computational fluid dynamics // Journal of Engineering Research (Kuwait). 2021. Vol. 2021. doi: 10.36909/jer.ICIPPSD.15503 EDN: IWZZBE
5. Kim H.M., Park S.K. Investigation on the flow and heat transfer characteristics of diesel engine EGR coolers // International Journal of Automotive Technology. 2008. № 9. C. 149–153. doi: 10.1007/s12239-008-0019-4
6. Кузнецов, Е.А. Моделирование турбулентности. Расчет сдвиговых течений с применением ANSYS FLUENT. Санкт-Петербург: ПолитехПресс, 2020.
7. Sunil S.S. Samir S.J., Pavithran Dr.S. Performance Improvement in Single phase Tubular Heat Exchanger using continuous Helical Baffles // International Journal of Engineering Research and Applications. 2012. Vol. 2, № 1. P. 1141–1149.
8. Master B.I. Chunangad K.S., Pushpanathan V. Fouling Mitigation Using Helixchanger Heat Exchangers. In: Proceedings of the ECI Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning: Fundamentals and Applications. ECI Digital Archives, 2003. P. 317–322.23
9. Галиев И.Р. Основы CFD-моделирования теплообмена при конструировании двигателей внутреннего сгорания. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 2024. EDN: DQYXLF
10. Huang Y.Q. Yu X.L., Lu G.D. Numerical simulation and optimization design of the EGR cooler in vehicle // Journal of Zhejiang University Science. 2008. P. 1270–1276. doi: 10.1631/jzus.A08202
11. Кортиков, Н.Н. Сопряженный теплообмен в примерах и задачах. Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2017.
12. Sinnott R.K. Chemical Engineering Design. Vol. 6. Chemical Engineering. Amsterdam, Boston, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
13. Byrne R.C. Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association. New York: TEMA Inc.; 1999.
14. Launder B., Spalding D.B. Mathematical Models of Turbulence. London: Academic Press, 1972.