機艙熱管理氣流流動分析與試驗相關性研究

劉 鵬， 劉二寶， 劉成文

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000;2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000)

0 引言

在整車性能開發(fā)過程中，發(fā)動機冷卻是影響其使用壽命、排放及油耗的重要因素，冷凝器散熱對駕駛室空調降溫性能有重要影響;試驗表明，若滿足發(fā)動機冷卻和空調降溫性能要求，首先應有適量的外界冷卻空氣流過冷卻模塊，將熱量帶走;同時流過冷卻模塊的被加熱空氣在機艙內(nèi)的流動要合理，避免回流和渦流的產(chǎn)生。在設計階段，準確計算流過散熱器、冷凝器、中冷器、油冷器等部件的冷卻空氣的流量，對機艙內(nèi)的各部件進行合理布置，提出合理的性能參數(shù)，是保證車輛散熱性能的重要前提［1］。

1 機艙熱管理試驗研究

在上海同濟大學地面交通工具風洞中心對某款排量為1.5 L手動5速轎車進行了機艙熱管理和空調降溫性能試驗測試，以了解車輛發(fā)動機的冷卻和空調制冷效果。

根據(jù)車輛發(fā)動機、變速器及空調系統(tǒng)的配置，共進行了三種工況的測試如表1，在冷凝器與散熱器中間位置共布置了16個風速流量計如圖1所示，詳細測取流過冷凝器和散熱器的風速和流量。

表1 機艙熱管理試驗工況

怠速(工況1)、最大扭矩(工況2)、70%最高車速(工況3)三種工況下通過冷凝器的風速結果如表2所示(列表中的測點編號與圖1風速儀測點布置編號相對應)。

表2 三種工況下風速儀的風速m/s

三種工況下發(fā)動機的進出口水溫及發(fā)動機機油溫度如表3所示。三種工況下發(fā)動機的進出口水溫差均在5℃以上，滿足發(fā)動機冷卻的要求;前排及后排乘客座頭部溫度在25℃左右，滿足人體舒適性要求。

圖1 散熱器前部風速儀測點布置

表3 發(fā)動機進出口水溫及機油溫度

2 模型建立

機艙熱管理分析中，對進入機艙的冷卻空氣影響比較大的重要部件有前保險杠、前保險杠進風格柵、散熱器、冷凝器、風扇、冷卻系統(tǒng)導流板、發(fā)動機、變速器等，這些部件的結構形狀均較復雜，建立模型時較為困難，在分析模型建立時需要重點關注，需要考慮模型的細節(jié)保持和流體網(wǎng)格尺寸大小等因素對計算結果的影響［2］，需要考察各部件位置關系、性能參數(shù)等對機艙散熱的影響。

2.1 理論基礎

應用于轎車開發(fā)的流體分析，其分析的馬赫數(shù)通常在0.3以下，此時可以認為空氣是不可壓縮的氣體［2］，基于此假設，描述定常不可壓粘性流體的基本方程是Navier-Stokes方程，要完全求解N-S方程，由于計算機技術的限制，目前還不能實現(xiàn)?，F(xiàn)在工程中應用最廣泛的是雷諾時均N-S方程

式中，i=1，2，3表示坐標軸的三個方向;xj是坐標的三個分量。

k方程

ε方程

式中，為渦粘性系數(shù)。

對于“標準”的k-ε模型，其常數(shù)值為:σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09。

2.2 計算模型及邊界設定

建立有限元計算模型，設定流體計算域車前2倍車長，車后4倍車長，寬度共6倍車寬，高度為5倍車高;邊界層2層，總厚度為4.6 mm;前保險杠進氣格柵部分做出詳細的特征線，保持形狀特征，網(wǎng)格大小在2 mm左右，對冷凝器、散熱器、風扇等部件進行網(wǎng)格加密，對發(fā)動機和變速進行包面處理，保持相對完整的結構特征，整個模型流體單元數(shù)為1 000萬個，機艙部分體網(wǎng)格如圖2所示。

對于散熱器和冷凝器的風阻特性采用多孔介質porous medium屬性來模擬，根據(jù)實際工況和相關工程經(jīng)驗，測試在2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s下通過冷凝器和散熱器在其厚度方向上的壓力降，試驗數(shù)據(jù)如圖3;風扇模擬采用MRF隱式算法，湍流模型選擇推薦的k-ε高雷諾數(shù)模型，出口采用outlet邊界［3-4］。

圖2 機艙熱管理分析模型(機艙部分+剖面)

圖3 散熱器的風阻曲線

3 結果分析

對上述三種工況在理論狀態(tài)下的情況進行了首輪仿真計算，統(tǒng)計了流過冷凝器、散熱器的冷卻空氣的流速和流量，發(fā)現(xiàn)仿真分析結果與試驗結果存在一定的誤差如表4所示，其中最大扭矩工況誤差在12%，70%最高車速工況誤差在20%以上。針對此誤差，首先對風扇轉速進行了實際測試，測試數(shù)據(jù)如表5所示，從測試結果來看在三個工況下風扇轉速與設計值均存在不同程度的偏差;針對此轉速偏差，需要進一步的修正分析。對風扇轉修正后的分析結果與試驗結果如表6所示。

表4 風扇設計轉速下通過冷凝器風速與流量

表5 風扇設計轉速與工作轉速

表6 修正風扇轉速后的流過冷凝器風速與流量

從仿真計算和試驗的誤差分析來看，在怠速時，由于車輛處于靜止狀態(tài)，流過冷凝器和散熱器的冷卻空氣只有風扇來驅動，沒有額外因素對風扇的轉速產(chǎn)生影響，風扇轉速穩(wěn)定在2 400 r/min左右，設計轉速與工作轉速接近，計算與試驗的誤差在3%左右，結果較為理想;在最大扭矩和70%最高車速工況下，流過冷凝器的空氣流速與風扇和車速有關，同時車輛行駛時產(chǎn)生的空氣流動對風扇轉動有擾動影響，如果不對風扇轉速做修正分析結果會產(chǎn)生一定的誤差。

4 結論

(1)試驗表明，對于排量在1.5 L的發(fā)動機，怠速、最大扭矩、70%最高車速工況下通過冷凝器、散熱器的冷卻空氣的流量分別在1 500 m3/h、2 000 m3/h、2 300 m3/h以上時，可以滿足發(fā)動機的冷卻散熱及空調降溫的需要;

(2)測試和仿真結果表明，在不同的工況下風扇的實際轉速與設計轉速有一定的差距，這些誤差對冷卻空氣流量有較大影響，在分析中需要重點考慮和識別。

［1］姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱［M］.北京:北京理工大學出版社，2001.

［2］傅立敏.汽車空氣動力學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［3］谷正氣.汽車車身外流場的數(shù)值計算與應用研究［D］.長沙:湖南大學機械系，1994.

［4］羅建曦，張揚軍.汽車底部復雜流場數(shù)值模擬［J］.汽車工程，2003，25(4):330-333.