后置發(fā)動(dòng)機(jī)客車整車環(huán)境下冷卻模塊性能分析

倪計(jì)民 沈 凱 朱黎明 徐錦華 徐向陽(yáng)

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.一汽客車（無(wú)錫）有限公司）

1 前言

隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)節(jié)能、環(huán)保和舒適性要求的不斷提高，越來(lái)越多的客車都采用后置發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式。此種形式使動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)更加緊湊，可有效降低整車裝備質(zhì)量并提高車輛機(jī)動(dòng)性。但與此同時(shí)，客車發(fā)動(dòng)機(jī)后置也帶來(lái)許多問(wèn)題，其中最顯著的是發(fā)動(dòng)機(jī)后置使得艙體散熱條件變差，冷卻效率下降，進(jìn)而容易引起過(guò)熱現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

本文基于Star-CCM+建立三維整車及后置發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)模型，并在此基礎(chǔ)上研究格柵開口角度及格柵結(jié)構(gòu)型式對(duì)冷卻模塊性能的影響。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 Star-CCM+和湍流模型

Star-CCM+的多面體網(wǎng)格能在保證計(jì)算精度的條件下，使整車和發(fā)動(dòng)機(jī)艙等大空間、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物理模型的網(wǎng)格數(shù)量更少、收斂速度更快。

車輛行駛速度一般遠(yuǎn)低于聲速，馬赫數(shù)較小，其流動(dòng)模擬可以看作是三維不可壓縮流場(chǎng)。因此，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，利用Star-CCM+的多面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算流體域進(jìn)行漸變網(wǎng)格大小多層次的劃分，既能保證計(jì)算結(jié)果精度，又能使計(jì)算速度更快。

2.2 換熱器多孔介質(zhì)模型

為了增大換熱面積，換熱器的換熱帶一般是凹凸結(jié)構(gòu)，并且在換熱器的表面形成許多孔形結(jié)構(gòu)，以使冷卻空氣能夠流經(jīng)換熱器，完成熱量的交換。在CFD模擬過(guò)程中，完全按照換熱器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)非常困難。因此，多采用多孔介質(zhì)模型來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)際換熱器模型，其數(shù)學(xué)模型如公式（1）和公式（2）所示[6]。

式中，v=εu為表觀速度，其中u為物理速度，ε為多孔介質(zhì)的孔隙率；k為滲透率；μ為動(dòng)力粘度；p為壓力。

式中，ξi為慣性阻力系數(shù)；ξv為粘性阻力系數(shù)；L為多孔介質(zhì)厚度。

公式（1）表示流體流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，流速與流動(dòng)方向上的壓力梯度成正比；公式（2）表示流體流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)壓降和流速的關(guān)系。由此根據(jù)散熱器和中冷器試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的散熱器 ξi和 ξv分別為141.12 kg/m4和 601.96 kg/（m3·s）， 中冷器的 ξi和 ξv分別為 67.98 kg/m4和 125.94 kg/（m3·s）。

行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法創(chuàng)立于德國(guó)，自20世紀(jì)80年代起成為德國(guó)職業(yè)教育改革的一種新范式，它是一種以“以能力為本”的教學(xué)模式：以學(xué)生為主體、以學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)為目標(biāo)、在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)以老師引導(dǎo)、師生互動(dòng)、生生互動(dòng)等多種不定型的活動(dòng)方法，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱忱和興趣，使學(xué)生主動(dòng)用、用心、用手進(jìn)行學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。近年來(lái)對(duì)我國(guó)也產(chǎn)生了很大影響，成為各種職業(yè)教育教學(xué)改革的主要方面而加以引進(jìn)、開發(fā)和應(yīng)用。

2.3 風(fēng)扇多重參考坐標(biāo)系(MRF)模型

MRF模型可以把流場(chǎng)簡(jiǎn)化為風(fēng)扇葉片在某一位置的瞬時(shí)流場(chǎng)，將非定常問(wèn)題用定常的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。首先需在風(fēng)扇的外圍框定一個(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在計(jì)算時(shí)該旋轉(zhuǎn)區(qū)域保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中以起作用的科氏力和離心力進(jìn)行計(jì)算；風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)以外的計(jì)算區(qū)域在慣性坐標(biāo)系里面進(jìn)行計(jì)算。在兩個(gè)區(qū)域之間的交接面處交換慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)參數(shù)，保證交界面的連續(xù)性，以達(dá)到用定常計(jì)算方法來(lái)研究非定常問(wèn)題的目的[7]。

3 數(shù)值計(jì)算方法

3.1 網(wǎng)格劃分

后置客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件多而雜，考慮到計(jì)算時(shí)間及精度，只保留艙內(nèi)主要部件的幾何結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，最終的裝配模型如圖1所示。

通過(guò)風(fēng)扇的風(fēng)筒仿真模型來(lái)驗(yàn)證所采用的MRF模型對(duì)風(fēng)扇模擬的有效性?；趽Q熱器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在原有風(fēng)扇風(fēng)筒仿真模型基礎(chǔ)上，在風(fēng)扇前方劃分出一個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域，上部分為中冷器，下部分為散熱器（圖2），并將慣性阻力系數(shù)以及粘性阻力系數(shù)數(shù)值賦于該區(qū)域。

在整車模型外圍建立封閉的計(jì)算流體域如圖3所示，其中整車的長(zhǎng)、寬、高分別用l、w、h表示。考慮到實(shí)際行車時(shí)汽車輪胎的變形，將計(jì)算域地面抬高20 mm。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用多層次不同大小網(wǎng)格的方法，在車體附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，遠(yuǎn)離車身的區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大，以減少總體的網(wǎng)格數(shù)量，如圖4所示。最終網(wǎng)格總數(shù)約為500萬(wàn)個(gè)。

3.2 邊界條件

所研究客車為高速旅游大客車，常用工況為高速行駛工況。重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下冷卻模塊的性能，因而對(duì)車速為80km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2200 r/min、橫條型格柵角度為45°的情況進(jìn)行模擬分析。模型入口邊界設(shè)為速度入口，其數(shù)值為仿真工況車速，即100 km/h；出口為壓力出口，靜壓為0?？紤]到客車行駛時(shí)的地面效應(yīng)，客車所在的地面設(shè)為靜止壁面，其余封閉體表面為滑移壁面，如圖5所示。

4 計(jì)算結(jié)果和分析

車速為80 km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為 2200 r/min、橫條型格柵角度為45°時(shí)流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6a可以看出，由于風(fēng)扇的抽吸作用，部分氣體通過(guò)格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)較為復(fù)雜，多數(shù)氣體通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的開口從艙內(nèi)流出，部分氣體則從車體后部所設(shè)計(jì)的開口以及無(wú)風(fēng)扇側(cè)的格柵流出。從圖6b可以看出，在客車后部形成兩個(gè)明顯的漩渦，車后氣體螺旋著流向出口。

4.1 橫條格柵開口角度對(duì)冷卻模塊的影響

實(shí)際車型的格柵為橫條型，開口角度為45°。橫排格柵開口角度定義為格柵與垂直地面軸線所構(gòu)成的夾角。保持格柵長(zhǎng)度42mm不變，對(duì)格柵開口30°、60°、-30°、-45°、-60°等 5 種情況進(jìn)行模擬分析，并與原格柵開口45°進(jìn)行對(duì)比，開口角度如圖7所示。

表1為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器表面的進(jìn)口流量。在同樣的邊界條件下，不同開口角度下其進(jìn)口流量不同?？傮w而言，格柵開口向下時(shí)，進(jìn)口流量相對(duì)較大，說(shuō)明此時(shí)空氣更容易進(jìn)入格柵流道，進(jìn)氣阻力相對(duì)較小。同時(shí)可以看出，隨著格柵開口角度絕對(duì)值的增大，進(jìn)口流量有遞增的趨勢(shì)。

表1 不同格柵開口角度下?lián)Q熱器表面進(jìn)口流量

圖8為橫條型格柵不同開口角度下風(fēng)扇內(nèi)效率。

圖9為不同格柵開口角度下中冷器和散熱器表面的速度均勻系數(shù)。由于換熱器的風(fēng)阻性能與速度的平方成正比。因此換熱器在同一流量下，速度越不均勻，其風(fēng)阻就越大。從圖9中可以看出，不同格柵開口角度下散熱器的速度均勻性系數(shù)與流量的趨勢(shì)一致，而中冷器的趨勢(shì)則與流量不同。相對(duì)散熱器而言，中冷器的阻力較小，其風(fēng)阻趨勢(shì)對(duì)流量的影響相對(duì)要小。因此，最終的換熱器表面進(jìn)口流量一方面與不同格柵開口角度時(shí)進(jìn)氣阻力有關(guān)，另一方面也與換熱器表面的速度均勻性引起的換熱器阻值差異有關(guān)。

從圖10的散熱器表面分布可以看出，當(dāng)格柵開口向上即格柵開口為負(fù)角度時(shí)（以-60°為例），散熱器上部即中冷器底部流速相對(duì)較小，特別是集中在中冷器右上角位置的回流情況相對(duì)較嚴(yán)重，對(duì)進(jìn)氣中冷十分不利。而當(dāng)格柵開口向下時(shí)，回流并沒有格柵開口向上時(shí)嚴(yán)重，但換熱器底部的區(qū)域速度相對(duì)較小。

綜合以上對(duì)比分析，對(duì)于橫條型格柵，建議采用格柵開口向下布置，且格柵開口越大，進(jìn)氣阻力相對(duì)越小。

4.2 豎條格柵開口角度對(duì)冷卻模塊的影響

橫條型結(jié)構(gòu)和豎條型結(jié)構(gòu)格柵由于外形簡(jiǎn)潔大方且加工方便，目前在客車上被廣泛采用。分別對(duì)豎條型格柵開口 30 °、45 °、60 °、-30 °、-45 °、-60 °等6種情況進(jìn)行模擬仿真。圖11為豎條型格柵不同開口角度示意，定義格柵開口方向與客車行駛方向一致時(shí)為正值，相反方向則為負(fù)值。表2為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器進(jìn)口流量大小。結(jié)果表明，當(dāng)格柵開口與客車行駛方向一致時(shí)流量要遠(yuǎn)大于相反方向的開口。這主要是由于格柵開口與車輛行駛方向一致時(shí)，可以利用氣流的流動(dòng)慣性進(jìn)入格柵流道；而相反方向時(shí)則完全需要風(fēng)扇的抽吸作用完成。從表2的仿真結(jié)果還可以看出，格柵開口方向與車輛行駛方向相反時(shí)，與行駛方向偏離越大，氣流進(jìn)入換熱器表面越困難。格柵開口從-60°換至-30°時(shí)，進(jìn)氣流量下降近20%。仿真結(jié)果也表明格柵開口正方向的基本趨勢(shì)是其開口越大，進(jìn)氣越容易。但是開口60°與45°相比，前者進(jìn)氣量略有下降。

表2 不同豎條型格柵開口角度下流量

豎條型格柵不同開口角度下風(fēng)扇的內(nèi)效率如圖12所示，其變化的幅度仍不大，但總體上正向格柵開口時(shí)要比負(fù)向格柵開口時(shí)的內(nèi)效率高。而對(duì)于換熱器表面的速度均勻系數(shù)，中冷器和散熱器具有同樣的變化趨勢(shì)（圖13）。開口方向?yàn)檎龝r(shí)，開口方向越大則表面速度越均勻；開口方向?yàn)樨?fù)時(shí)，與行駛方向偏離越大，表面速度越不均勻。而當(dāng)開口角度為30°時(shí)，在6種情況中換熱器表面速度分布最不均勻。

圖14所示為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器表面的速度分布情況。

以-60°為例，當(dāng)豎條型格柵開口角度為負(fù)值時(shí)，和橫條型格柵不同的是，與客車行駛方向相反側(cè)的換熱器表面出現(xiàn)了速度較小的區(qū)域。這主要是由于此時(shí)格柵流道的方向直接指向與客車行駛方向相同的換熱器表面?zhèn)?，使得空氣能夠順利到達(dá)該側(cè)，并沒有出現(xiàn)明顯的速度“死區(qū)”。而當(dāng)格柵開口為正值時(shí)，隨著開口角度增加，回流情況明顯得到改善。在格柵開口角度為60°時(shí)已經(jīng)沒有回流的情況，這也是在格柵開口60°時(shí)速度均勻系數(shù)比較高的原因。但同時(shí)也可以看出，此時(shí)換熱器表面速度呈條狀形態(tài)，將格柵阻擋效應(yīng)映射到換熱器表面，與格柵開口45°相比，最高速度下降3%，這也是流量略有下降的原因。

通過(guò)對(duì)豎條型格柵和橫條型格柵進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者均在正向開口時(shí)，空氣更易達(dá)到換熱器表面。但相對(duì)而言，豎條型格柵可以充分利用一部分氣流的流動(dòng)慣性，因此其進(jìn)氣阻力更小，仿真結(jié)果中最大進(jìn)氣流量達(dá)到5.02 kg/s，比橫條型格柵最大流量高3%。同時(shí)對(duì)比圖14與圖10可以發(fā)現(xiàn)，豎條型格柵換熱器表面的最大區(qū)域較橫條型格柵大，其速度均勻性系數(shù)比橫條型格柵有明顯提高，其中中冷器速度均勻系數(shù)提高10%。

因此，對(duì)于該客車和冷卻模塊，豎條型格柵更有利于冷卻空氣進(jìn)入換熱器表面，且其開口角度宜選45°。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.建立客車后置發(fā)動(dòng)機(jī)艙仿真模型，得出了客車內(nèi)、外流場(chǎng)分布。結(jié)果表明，氣流在通過(guò)格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后流動(dòng)較為復(fù)雜，大部分從發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部開口流出，同時(shí)也有一部分從尾門處開口和無(wú)風(fēng)扇側(cè)格柵流出。

b.分析了橫條型和豎條型格柵對(duì)換熱器表面進(jìn)氣量的影響。結(jié)果表明，不同格柵開口角度和方向下流量有較大差異，風(fēng)扇內(nèi)效率的變化則相對(duì)較小。同時(shí)換熱器表面氣流速度分布有一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，但該區(qū)域的具體位置和格柵型式及開口角度有關(guān)。

c.對(duì)于本文客車和冷卻模塊而言，與橫條型格柵相比，格柵開口角度為45°的豎條型格柵更能夠增加換熱器表面進(jìn)氣流量。

1 張揚(yáng)軍，張釗，諸葛偉林.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真系統(tǒng).會(huì)議論文，2004:714～719.

2 John Walter.Automotive Cooling System Componen Interaction.Mechanical Engineering，Texas Tech University，2001.

3 David J.Allen，Michael P.Lasecki.Thermal Management Evolution and Controlled Coolant Flow.SAE 2001-01-1732.

4 Siqueira C R.Numerical Simulation of a Bus Underhood Flow.SAE 2003-01-3522.

5 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

6 STAR-CCM+Version 5.06 User’s Guide.

7 袁俠義.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究與改進(jìn):[碩士論文].湖南:湖南大學(xué)，2010.