汽車前端冷卻模塊空氣側(cè)熱流場仿真與試驗(yàn)研究

林鐵平，林 卉，戴澍凱

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東，廣州 511434）

汽車機(jī)艙布置日趨緊湊和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理在整車研發(fā)中越來越重要。傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模塊的散熱性能設(shè)計(jì)前期往往是采用經(jīng)驗(yàn)或工程評(píng)估的方法，對工程師的經(jīng)驗(yàn)依賴性大，產(chǎn)品后期通過風(fēng)洞試驗(yàn)來驗(yàn)證，出現(xiàn)問題時(shí)設(shè)計(jì)變更周期長且成本高。隨著數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）在汽車研發(fā)中的地位不斷提高。CFD方法具有成本低、快捷方便、周期短等特點(diǎn)，能獲得很多試驗(yàn)手段無法得到的細(xì)節(jié)信息[1]，逐漸成為與試驗(yàn)研究和理論分析具有同等地位的研究手段。

國外較早就利用CFD技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端冷卻模塊流場和熱場進(jìn)行研究，美國通用公司楊志剛等人對前端冷卻模塊不同排列方式下的機(jī)艙流場和溫度場進(jìn)行了對比分析[2]。法國Valeo公司利用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩造型及前端模塊造型進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能[3]。LAN K. T.等人針對散熱器熱風(fēng)回流問題分析了前端導(dǎo)風(fēng)罩對散熱器空氣流速、壓力分布的影響[4]。國內(nèi)機(jī)艙熱管理方面的研究仍側(cè)重于試驗(yàn)和子系統(tǒng)的研究，對熱管理系統(tǒng)集成的研究較少[5]。近年來，為提高分析精度，一維和三維聯(lián)合仿真并考慮流固耦合、熱輻射等因素的研究方法成為機(jī)艙熱管理研究的新趨勢[6-7]。

本文以排氣前置的某車型作為研究對象，建立了詳細(xì)的機(jī)艙熱管理分析模型，利用商業(yè)軟件STAR-CCM+分析了封閉部分格柵和加裝底護(hù)板對前端冷卻模塊進(jìn)氣的影響，然后將散熱器空氣側(cè)流場和熱場仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，最后將散熱風(fēng)扇局部熱輻射分析與機(jī)艙熱流場計(jì)算進(jìn)行耦合，提高了熱分析結(jié)果的精度。

1 研究方法和模擬理論

1.1 物理模型

通常情況下，汽車的行駛速度遠(yuǎn)小于聲速，氣流馬赫數(shù)很低，因此數(shù)值計(jì)算中一般把空氣當(dāng)作不可壓縮粘性流體處理，基于三維笛卡爾坐標(biāo)系的基本方程如下[8]：

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

能量方程

此外，機(jī)艙內(nèi)部形狀復(fù)雜，流動(dòng)漩渦和分離現(xiàn)象明顯，應(yīng)按湍流來處理，本文中湍流輸運(yùn)方程選擇Realizablek-ε高雷諾數(shù)模型，其已經(jīng)被有效地用于各種類型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流，管道內(nèi)流動(dòng)以及帶有分離的流動(dòng)[9]。

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 網(wǎng)格劃分策略

本文選用排氣前置的某車型作為研究對象，建立整車全尺寸模型，包括車身總成、機(jī)艙總成、底盤、動(dòng)力總成、外飾件及機(jī)艙內(nèi)所有對流動(dòng)計(jì)算有重要影響的部件，忽略少量小尺寸部件（如小管道、筋板等）。設(shè)整車長為L、寬為W、高為H，綜合考慮風(fēng)洞阻塞效應(yīng)[10]及硬件的計(jì)算能力，數(shù)值風(fēng)洞長、寬、高分別設(shè)置為12L、6W和6H，具體為車頭前部4L，車尾后部7L，體網(wǎng)格在壁面拉伸生成3層邊界層網(wǎng)格，第1層的厚度滿足30＜y+＜200要求，網(wǎng)格劃分過程中對機(jī)艙、車身周圍和車底附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，機(jī)艙內(nèi)部件和中心剖面網(wǎng)格如圖1所示。

1.2.2 換熱器和風(fēng)扇模型

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的換熱器（中冷器、冷凝器和散熱器）的流體通道細(xì)密，直接劃分網(wǎng)格來模擬換熱器芯體內(nèi)的氣流流動(dòng)不太現(xiàn)實(shí)?？紤]計(jì)算效率和軟硬件資源，工程分析中通常都將換熱器簡化為多孔介質(zhì)模型。本文所研究的機(jī)艙前端冷卻模塊布置關(guān)系如圖2所示。

各換熱器的換熱功率見表1，數(shù)值分析中通過在能量方程中添加體積熱源項(xiàng)來模擬換熱。

表1 低速工況各換熱器換熱功率

流體流過多孔介質(zhì)時(shí)，單位長度壓力損失與氣流速度的關(guān)系式如下[11]：

式中，α為慣性阻力系數(shù)，kg/m4；β為粘性阻力系數(shù)，kg/(m3·s)；V為氣流速度，m/s。

換熱器的壓降數(shù)據(jù)可以通過試驗(yàn)或從生產(chǎn)廠家得到，將壓降數(shù)據(jù)擬合成二次多項(xiàng)式，方程的二次項(xiàng)系數(shù)和一次項(xiàng)系數(shù)分別對應(yīng)式（4）中的α和β。數(shù)值求解中通過在動(dòng)量方程中添加給定方向的阻力源項(xiàng)來模擬通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)損失。

換熱器的性能除了取決于流經(jīng)換熱器芯體的氣流流量和氣流溫度外，進(jìn)風(fēng)面氣流分布的均勻性也有較大影響，可以用速度均勻性系數(shù)來評(píng)價(jià)。

有限n個(gè)測點(diǎn)的速度均勻性系數(shù)γ定義如下[12]：

對于換熱器來說，進(jìn)風(fēng)面γ值越大氣流速度分布的均勻性越好，能最大限度發(fā)揮換熱器的換熱性能，避免換熱器芯體的局部過冷或過熱。

本文研究對象的散熱風(fēng)扇采用同向旋轉(zhuǎn)的雙風(fēng)扇，風(fēng)扇采用MRF方法來模擬。MRF方法是一種穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，風(fēng)扇域網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而是通過將動(dòng)量源加載到風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)掃過區(qū)域的網(wǎng)格。MRF方法能很好地平衡計(jì)算效率和結(jié)果精度，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

1.2.3 邊界條件和求解設(shè)定

流場計(jì)算邊界條件設(shè)置見表2。溫度場計(jì)算時(shí)環(huán)境溫度為45℃，機(jī)艙內(nèi)零部件熱源邊界根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來設(shè)置。采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，各物理量全隱式分離求解，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散滿足二階精度，殘差標(biāo)準(zhǔn)能量方程設(shè)置為10-6，其余項(xiàng)設(shè)置為10-3。

表2 流場計(jì)算邊界條件設(shè)定

2 前端冷卻模塊流場影響因素研究

2.1 封閉部分格柵對冷卻模塊進(jìn)氣的影響

為提高整車氣動(dòng)性能，在滿足熱管理要求的前提下，封閉部分格柵是很有效的手段之一。封閉格柵時(shí)，上格柵封閉區(qū)域以散熱器芯體左、右邊界為界限，下格柵封閉區(qū)域以中冷器芯體左、右邊界為界限，如圖3所示。

由圖4和圖5可知，不論采用哪種格柵封閉方式，低速工況和高速工況中冷器進(jìn)氣量均明顯增加。封閉上格柵時(shí)冷凝器和散熱器進(jìn)氣量稍有增加，封閉下格柵時(shí)進(jìn)氣量稍有下降。

封閉部分格柵導(dǎo)致冷卻模塊進(jìn)氣量增加，原因有兩個(gè)：（1）車頭正壓區(qū)基本不變，封閉部分格柵后，進(jìn)氣面積減小，在相同壓力作用下，進(jìn)氣速度會(huì)提高，從而增加了進(jìn)風(fēng)量。（2）封閉部分格柵后，進(jìn)入機(jī)艙兩側(cè)的氣流流速降低，壓力相對于未封閉格柵時(shí)升高，對其它部位氣流的抽吸作用減弱。

封閉上格柵兩側(cè)不影響冷卻模塊進(jìn)氣，但會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙左側(cè)和右側(cè)的溫度上升，加劇此區(qū)域內(nèi)重要零部件的熱害風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 底護(hù)板對冷卻模塊進(jìn)氣的影響

基于未封閉格柵的模型，分析加裝發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板對冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量的影響。

表3 加裝底護(hù)板冷卻模塊風(fēng)量變化

由表3可知，加裝底護(hù)板后，低速工況中冷器風(fēng)量增加了9.46%，冷凝器和散熱器風(fēng)量變化很小，高速工況各冷卻模塊風(fēng)量基本不變。

汽車行駛時(shí)從下保下緣流過車底的氣流速度快，壓力低。圖6中不帶底護(hù)板時(shí)，低速工況下從下格柵進(jìn)入的氣流容易受到車底氣流的吸引而改變方向，提前流出機(jī)艙。圖7中加裝底護(hù)板后，隔絕了底部氣流對下格柵來流的干擾，有利于中冷器進(jìn)氣。

加裝底護(hù)板對中冷器進(jìn)氣和整車氣動(dòng)性能有積極作用，但對油底殼散熱不利。由圖8和圖9可知，低速工況下，不帶底護(hù)板油底殼迎風(fēng)面風(fēng)速（平均風(fēng)速為1.58 m/s）明顯比加裝下護(hù)板（平均風(fēng)速為1.41 m/s）的高，后者平均風(fēng)速降低10.8%。

2.3 冷卻模塊進(jìn)風(fēng)面速度均勻性比較

由表4可知，低速工況下，冷卻模塊進(jìn)氣主要靠散熱風(fēng)扇抽吸作用驅(qū)動(dòng)，離風(fēng)扇最近的散熱器進(jìn)風(fēng)面速度分布均勻性較冷凝器差。高速工況下，前格柵進(jìn)氣占主導(dǎo)作用，中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)面速度分布均勻性較低速工況變好，由于格柵在冷凝器上的正投影面積有限，冷凝器的速度分布均勻性變差。

表4 冷卻模塊進(jìn)風(fēng)面速度均勻性數(shù)據(jù)

3 散熱器空氣側(cè)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

整車試驗(yàn)選擇在國內(nèi)某風(fēng)洞中心進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度為45℃，相對濕度為50%，陽光模擬強(qiáng)度為950 W/m2。試驗(yàn)車輛未封閉格柵，不帶下護(hù)板，試驗(yàn)工況為低速爬坡（車速40 km/h，坡度10%），取熱平衡后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

為獲得散熱器前部風(fēng)速、前部和后部溫度分布，試驗(yàn)中在散熱器前部布置了12個(gè)葉輪式風(fēng)速儀，在散熱器前部和后部分別布置了9個(gè)溫度傳感器，如圖10所示。

表5中散熱前平均風(fēng)速仿真值與試驗(yàn)值均大于設(shè)計(jì)值2.68 m/s，兩者誤差小于5%，說明在總的通風(fēng)量方面，仿真值比較接近試驗(yàn)值。散熱器前部和后部溫度平均值誤差均小于10%，滿足工程分析需要。

表5 仿真與試驗(yàn)平均值比較

圖11中各測點(diǎn)風(fēng)速分布仿真值與試驗(yàn)值趨勢一致，但相對誤差曲線波動(dòng)幅度較大，說明仿真和試驗(yàn)各個(gè)測點(diǎn)風(fēng)速的分布誤差較大。

由圖12和圖13可知，散熱器前部和后部各測點(diǎn)溫度普遍高于試驗(yàn)值，相對誤差波動(dòng)幅度也較大，有些測點(diǎn)誤差接近或超過10%。

4 散熱風(fēng)扇局部熱輻射仿真研究

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)靠近高溫源（排氣歧管等）的零部件受熱輻射影響很大，在機(jī)艙熱流場分析時(shí)考慮熱輻射，計(jì)算開銷巨大。通常的做法是對關(guān)注的零部件單獨(dú)計(jì)算局部熱輻射影響并與機(jī)艙熱流場進(jìn)行耦合。

對于排氣系統(tǒng)前置的發(fā)動(dòng)機(jī)，散熱器電子風(fēng)扇受排氣歧管、催化轉(zhuǎn)化器及對應(yīng)隔熱罩的輻射影響很大。本文中散熱風(fēng)扇熱輻射分析模型僅包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、排氣系統(tǒng)、變速器和散熱風(fēng)扇，如圖14所示。

由圖15可知，考慮輻射時(shí)風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩表面溫度比不考慮輻射時(shí)要高，整個(gè)護(hù)風(fēng)罩溫度分布明顯反映高溫輻射影響，即越靠近高溫源溫度越高。

表6中考慮熱輻射時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)前測點(diǎn)溫度與試驗(yàn)相比誤差大大減小，說明考慮局部熱輻射與機(jī)艙熱流場耦合的模擬對于提高重要零部件熱分析精度很有效。

表6 風(fēng)扇電機(jī)前溫度數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文對某排氣前置的車型進(jìn)行了前端冷卻模塊空氣側(cè)熱流場仿真并將部分仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)論如下：

（1）封閉部分格柵和加裝底護(hù)板均能提高中冷器進(jìn)氣量，但加裝底護(hù)板對油底殼散熱不利。低速工況下散熱器進(jìn)風(fēng)面速度均勻性較差，而高速工況下冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度均勻性較差。

（2）散熱器前風(fēng)速平均值、前部和后部溫度平均值與試驗(yàn)相比誤差均小于10%，散熱器前平均風(fēng)速滿足設(shè)計(jì)要求且留有一定余量。從仿真和試驗(yàn)結(jié)果來看，該車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊和進(jìn)氣格柵的匹配設(shè)計(jì)合理。

（3）散熱風(fēng)扇考慮和不考慮熱輻射影響的對比分析表明考慮局部高溫輻射與機(jī)艙熱流場的耦合模擬能大大提高熱分析精度。

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