汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究＊

任承欽，蔡德宏，劉敬平，樊明明

（湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場(chǎng)的優(yōu)劣，直接影響到整車(chē)的運(yùn)行效果和使用性能.在新車(chē)設(shè)計(jì)階段，了解影響機(jī)艙散熱的主要因素，掌握不同運(yùn)行工況下機(jī)艙散熱特性，是一項(xiàng)非常重要的工作.通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)機(jī)艙散熱性能進(jìn)行分析[1］，需要耗費(fèi)大量成本，且試驗(yàn)條件苛刻，測(cè)試結(jié)果受客觀(guān)條件影響較大.文獻(xiàn)[2－3］采用了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)整車(chē)流場(chǎng)及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究.文獻(xiàn)[4］采用CFD數(shù)值技術(shù)模擬機(jī)艙熱流場(chǎng)，準(zhǔn)確分析了特定工況下機(jī)艙內(nèi)部散熱情況，但無(wú)法得到散熱性能隨工況的變化規(guī)律.作者運(yùn)用STAR－CCM＋和GTCOOL商業(yè)軟件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，建立機(jī)艙散熱系統(tǒng)的耦合模型，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與機(jī)艙熱流場(chǎng)聯(lián)合求解，從而得出不同工況下機(jī)艙散熱性能.

機(jī)艙散熱主要依靠熱對(duì)流與熱輻射的作用.對(duì)于一般的機(jī)艙結(jié)構(gòu)，部件散失的大部分熱量依靠空氣對(duì)流作用帶走，因此本文主要考慮熱對(duì)流對(duì)機(jī)艙散熱性能的影響，分析對(duì)流換熱系數(shù)在不同運(yùn)行工況下的特性規(guī)律.機(jī)艙內(nèi)空氣流量，對(duì)機(jī)艙散熱效果有顯著影響，合理的機(jī)艙結(jié)構(gòu)，能有效減少空氣漩渦，降低通風(fēng)阻力，增強(qiáng)散熱性能.本文通過(guò)模擬分析，得出了機(jī)艙內(nèi)空氣流量隨工況變化的一般規(guī)律.

1 耦合方案

1.1 CFD模型

模型的建立需要基于以下2點(diǎn)假設(shè)：

1）忽略機(jī)艙散熱過(guò)程中輻射換熱；

2）空氣為常物性流體，定性溫度為周?chē)h(huán)境溫度.

利用UG軟件建立了后置式發(fā)動(dòng)機(jī)艙的幾何模型，并對(duì)機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，忽略了細(xì)小部件對(duì)流場(chǎng)的影響.運(yùn)用STAR－CCM＋軟件，對(duì)幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并對(duì)機(jī)艙流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行了局部加密，如圖1所示.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙網(wǎng)格局部加密Fig.1 The local refined mesh of engine cabin

由于機(jī)艙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，空氣流動(dòng)過(guò)程中存在大量邊界層分離、渦流等現(xiàn)象，流動(dòng)處于紊流狀態(tài).本文采用可實(shí)現(xiàn)k－e兩方程模型[5］模擬機(jī)艙空氣流場(chǎng).以來(lái)流空氣溫度為定性溫度定義空氣的物性參數(shù).散熱器和中冷器采用多孔介質(zhì)模型，設(shè)定熱流密度邊界條件.冷卻風(fēng)扇作為－動(dòng)量源項(xiàng)，采用Interface－Fan模型，定義－定轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇流量與壓頭之間的擬合關(guān)系式.

汽車(chē)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榱鲌?chǎng)入口方向，模型中流場(chǎng)入口設(shè)定為Velocity－Inlet速度入口邊界，表壓為0 Pa.流場(chǎng)出口設(shè)定為Pressure－Outlet壓力出口邊界，表壓為0Pa.汽車(chē)流場(chǎng)上界面以及兩側(cè)面設(shè)定為滑移絕熱邊界，地面設(shè)定為無(wú)滑移絕熱壁面.在模型的建立、對(duì)標(biāo)階段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，將機(jī)艙內(nèi)各散熱部件設(shè)為溫度邊界條件.在模型校驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集階段，通過(guò)與一維模型進(jìn)行耦合計(jì)算，將散熱部件設(shè)為熱流密度邊界條件.

1.2 GT－COOL模型

GT－COOL一維模型用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行情況.模型通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)作為以管道、孔口等部件連接起來(lái)的一系列可控?zé)崃ο到y(tǒng)的組合[6］，基于守恒及能量傳輸原理，計(jì)算各個(gè)部件的散熱情況.圖2為一維模型的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，冷卻系統(tǒng)部件主要包括冷卻水套、散熱器、中冷器、風(fēng)扇以及管道等部件.冷卻水套將發(fā)動(dòng)機(jī)散失的余熱帶走，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在正常工作溫度范圍內(nèi).冷卻水套帶走的熱量通過(guò)散熱器散失到機(jī)艙空氣環(huán)境中.

圖2 機(jī)艙冷卻系統(tǒng)一維簡(jiǎn)化模型Fig.2 The one－dimensional simplified model of engine cooling system

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，除了散熱器向機(jī)艙空氣環(huán)境散熱外，管道及各個(gè)部件表面也以對(duì)流換熱的形式向機(jī)艙散失熱量.這部分對(duì)流散熱可以通過(guò)式（1）

計(jì)算出來(lái).式（1）中：Tw為部件表面溫度；hm，Tm分別為需要事先確定的平均對(duì)流換熱系數(shù)和空氣主流溫度，可以通過(guò)CFD三維模型計(jì)算得出.

散熱器冷卻液側(cè)的換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式采用經(jīng)典的Dittus－Boelter公式[7］：

散熱器空氣側(cè)的換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式采用我國(guó)原六機(jī)械整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[8］：

其中：Rel，Reg為以相應(yīng)流道當(dāng)量直徑為特征尺寸的雷諾準(zhǔn)則；Prl為冷卻液的普朗特準(zhǔn)則數(shù).

模型中的風(fēng)扇為軸流風(fēng)扇，額定流量為4.8 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為2 300r/s，壓頭400Pa.模型其他部件參數(shù)根據(jù)車(chē)型確定，一些部件參數(shù)需在模型對(duì)標(biāo)過(guò)程中進(jìn)行修正.

1.3 耦合計(jì)算

STAR－CCM＋三維模型所計(jì)算的機(jī)艙對(duì)流換熱系數(shù)及空氣主流溫度，是GT－COOL一維模型中各部件的換熱邊界條件.一維模型計(jì)算的散熱器散熱量、風(fēng)扇流量等信息是三維模型重要的特性參數(shù).因此，要準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)艙的實(shí)際散熱情況，就需要將一維和三維模型耦合起來(lái)，通過(guò)一定的迭代計(jì)算，得出熱流場(chǎng)和機(jī)艙散熱性能.

圖3為耦合計(jì)算的流程圖，從圖中可以看出，一維模型和三維模型之間需要經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)交換才能得到最終計(jì)算結(jié)果.

圖3 耦合計(jì)算流程圖Fig.3 The flow chart of coupling calculation

1.4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了進(jìn)一步論證耦合計(jì)算模型的合理性，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)耦合模型進(jìn)行對(duì)比分析.汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況為：汽車(chē)上坡運(yùn)動(dòng)；道路坡度為1%左右，汽車(chē)行駛速度維持在15～17km/h，無(wú)風(fēng)，空氣溫度為33℃，即306.15K.在耦合模型中，汽車(chē)運(yùn)行在穩(wěn)定工況中，因此設(shè)定：道路坡度為1%，汽車(chē)速度16km/h，環(huán)境溫度306.15K.

表1列出了機(jī)艙不同部件表面平均溫度的實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果.其中實(shí)測(cè)值是某個(gè)部件表面多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的算術(shù)平均值，模擬值為部件表面面積平均值.如表1所示，由于實(shí)驗(yàn)條件有限以及耦合模型本身一些參數(shù)信息的不確定性，模擬值和實(shí)測(cè)值之間存在一定的誤差，但總體而言模擬結(jié)果從一定程度上反映了機(jī)艙實(shí)際的運(yùn)行情況.

表1 耦合模型校驗(yàn)分析表Tab.1 The checking and analytical tabulation of coupling model

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 機(jī)艙對(duì)流換熱系數(shù)

運(yùn)用耦合模型，計(jì)算不同環(huán)境溫度、車(chē)速和道路坡度下機(jī)艙散熱性能，分析不同因素對(duì)平均對(duì)流換熱系數(shù)的影響.

道路坡度主要影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，不會(huì)直接影響到機(jī)艙流場(chǎng)，因此可以忽略道路坡度對(duì)平均對(duì)流換熱系數(shù)的影響.圖4為不同環(huán)境溫度和車(chē)速下平均對(duì)流換熱系數(shù)的變化規(guī)律.

圖4（a）為一定車(chē)速條件下，平均對(duì)流換熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律.當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，換熱系數(shù)變化很小，環(huán)境溫度每改變10K，平均對(duì)流換熱系數(shù)變化不超過(guò)2W/（m2·K）.這說(shuō)明，對(duì)于機(jī)艙這種大空間的對(duì)流換熱，環(huán)境溫度的改變，對(duì)平均對(duì)流換熱的影響是可以忽略的.

圖4（b）為平均對(duì)流換熱系數(shù)隨車(chē)速的變化規(guī)律.從圖中可以看出，機(jī)艙平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著車(chē)速的增加而單調(diào)遞增.平均對(duì)流換熱系數(shù)在汽車(chē)低速工況變化較為劇烈，隨著車(chē)速的提高，平均對(duì)流換熱系數(shù)增加率趨于平緩.為了便于簡(jiǎn)單的工程計(jì)算，圖4（b）給出了平均對(duì)流換熱系數(shù)與車(chē)速之間的冪函數(shù)擬合曲線(xiàn)，擬合公式為：

式中：v為車(chē)速，m/s；hm為平均對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）.

圖4 不同車(chē)速和環(huán)境溫度下的平均對(duì)流換熱系數(shù)Fig.4 Averaged convection heat transfer coefficients in different ambient temperature and driving speeds

2.2 流量特性

為進(jìn)一步研究機(jī)艙通風(fēng)散熱性能，本文對(duì)機(jī)艙流量特性進(jìn)行研究，分析機(jī)艙流動(dòng)阻力與空氣流量之間的特性關(guān)系.由流體力學(xué)理論[9］可知，對(duì)于一定空間結(jié)構(gòu)的腔體，其空氣流量可由式（5）確定：

式中：Q為空氣流量，m3/s；η為速度系數(shù)；μ為空氣流量系數(shù)，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的機(jī)艙，μ為常數(shù)；A為入口特征面積，對(duì)于本模型的機(jī)艙，這里取A＝2.0 m2；ΔP為機(jī)艙進(jìn)出口空氣總壓差，Pa；u為入口平均流速，m/s.

圖5（a）顯示了機(jī)艙入口空氣流量Q隨流速u(mài)的變化規(guī)律，流量隨流速的增大而增大，且流量與流速成良好的線(xiàn)性關(guān)系.對(duì)于實(shí)際的汽車(chē)機(jī)艙，測(cè)量機(jī)艙入口平均流速比較繁瑣.因此，需要對(duì)汽車(chē)速度v與機(jī)艙流量Q之間的特性做出分析研究.圖5（b）顯示了機(jī)艙入口空氣流量隨車(chē)速的變化規(guī)律，流量與車(chē)速同樣滿(mǎn)足良好的線(xiàn)性關(guān)系.這說(shuō)明機(jī)艙入口空氣流速與車(chē)速成一定的比例關(guān)系.為了便于工程計(jì)算，本文以車(chē)速v為變量，研究車(chē)速與機(jī)艙流量的變化規(guī)律.通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得出機(jī)艙空氣流量與車(chē)速之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：流量系數(shù)μ為0.380；v為車(chē)速，m/s.

圖5 機(jī)艙流量特性圖Fig.5 Characteristic diagram of engine cabin flux

3 機(jī)艙優(yōu)化

上述章節(jié)對(duì)機(jī)艙散熱特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為提高機(jī)艙散熱性能提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo).通過(guò)對(duì)機(jī)艙熱流場(chǎng)分析，調(diào)整機(jī)艙布置形式，加大機(jī)艙尾部通風(fēng)格柵的流通面積，計(jì)算汽車(chē)高速工況下機(jī)艙散熱性能，并對(duì)機(jī)艙調(diào)整前后散熱性能進(jìn)行對(duì)比分析.圖6給出了機(jī)艙結(jié)構(gòu)調(diào)整前后速度場(chǎng)的變化情況.表2列出了機(jī)艙結(jié)構(gòu)變化前后機(jī)艙平均以及部件局部對(duì)流換熱系數(shù)的變化情況.

從圖6可以看出：機(jī)艙結(jié)構(gòu)改變后，機(jī)艙迎風(fēng)側(cè)流場(chǎng)均勻性得到一定程度的加強(qiáng)，空氣滯留現(xiàn)象有了一定程度的改善.但由于迎風(fēng)側(cè)空氣流通性能的增強(qiáng)，而艙尾空氣排放仍受機(jī)艙結(jié)構(gòu)限制，空氣流過(guò)散熱部件到達(dá)艙尾后，來(lái)不及及時(shí)排出機(jī)艙，使得艙尾右側(cè)出現(xiàn)了較大的空氣回流.因此，還需要通過(guò)一些誘導(dǎo)措施促使機(jī)艙空氣及時(shí)排出，才能有效地提高機(jī)艙的通風(fēng)散熱性能.

圖6 調(diào)整前后機(jī)艙速度云圖Fig.6 Velocity contour of unadjusted and adjusted layouts of engine cabin

由表2可知，機(jī)艙結(jié)構(gòu)調(diào)整后，機(jī)艙各部件表面換熱系數(shù)及平均表面對(duì)流換熱系數(shù)有明顯增加.這主要是因?yàn)樵跈C(jī)艙迎風(fēng)側(cè)，空氣流通性能得到了提高，機(jī)艙部件迎風(fēng)表面對(duì)流換熱作用有了明顯增強(qiáng).

表2 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)比表Tab.2 Comparison tabulation of convection heat transfer coefficient

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了機(jī)艙散熱耦合模型，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析表明：

1）模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi).

2）機(jī)艙散熱表面對(duì)流換熱系數(shù)的大小受環(huán)境溫度影響很小，一定結(jié)構(gòu)及布置形式的機(jī)艙，對(duì)流換熱系數(shù)大小主要由車(chē)速?zèng)Q定.

3）一定結(jié)構(gòu)及布置形式的機(jī)艙，空氣流量主要受車(chē)速影響.機(jī)艙空氣流量與車(chē)速滿(mǎn)足良好的線(xiàn)性關(guān)系.

4）改變機(jī)艙結(jié)構(gòu)后，機(jī)艙對(duì)流換熱系數(shù)和熱流場(chǎng)有明顯變化.由此說(shuō)明，不同的機(jī)艙布置形式，對(duì)機(jī)艙對(duì)流換熱系數(shù)和流場(chǎng)有明顯影響.

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