基于FLUENT的汽車出風(fēng)口和進(jìn)氣格柵對發(fā)動機(jī)艙溫度場分布的影響

王琪，于明進(jìn)，黃萬友，孫鵬

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南　250357)

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基于FLUENT的汽車出風(fēng)口和進(jìn)氣格柵對發(fā)動機(jī)艙溫度場分布的影響

王琪，于明進(jìn)*，黃萬友，孫鵬

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南250357)

摘要：為了降低發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度，根據(jù)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場的分布，提出通過改善出風(fēng)口和進(jìn)氣格柵處的結(jié)構(gòu)來降低發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度。運(yùn)用PROE軟件建立具有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口和下進(jìn)氣格柵模型，利用GAMBIT生成計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件，利用FLUENT軟件對各模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可有效降低機(jī)艙內(nèi)的溫度；優(yōu)化下進(jìn)氣格柵導(dǎo)流板安裝角度，可使冷卻氣流得到最有效的利用，其中通過散熱器的冷卻氣流流量較改進(jìn)前增加了8%。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)艙；溫度場；進(jìn)氣格柵；出風(fēng)口；

汽車發(fā)動機(jī)功率不斷提高，工作溫度亦不斷升高，同時由于車輛形狀和空氣動力學(xué)的需要，汽車車身更趨向流線型，車身逐漸降低，汽車的發(fā)動機(jī)艙變扁，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的空間尺寸越來越小，使機(jī)艙進(jìn)氣口變小，冷卻效果變差，加之我國絕大部分地區(qū)夏季非常炎熱，7、8月份氣溫超過35 ℃[1]1。如果發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣流組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，很容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙內(nèi)過熱，引起發(fā)動機(jī)燃燒爆震、冷卻系“開鍋”等問題，加速機(jī)艙內(nèi)零部件老化、失效，甚至引發(fā)汽車自燃事故，嚴(yán)重影響汽車的行駛安全[2]48。

在汽車設(shè)計(jì)階段，合理的機(jī)艙內(nèi)布置和主要部件的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，能使機(jī)艙內(nèi)的氣流流場，保證冷卻氣流充分帶走發(fā)動機(jī)及其它高溫?zé)嵩吹臒崃?，避免在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)形成渦流區(qū)和局部高溫區(qū)，對保證發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各部件正常工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國外這方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果[3-6]；我國也進(jìn)行了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[7]對額定功率下散熱器冷卻空氣需求量進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[8]對汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理研究與改進(jìn)，對進(jìn)氣格柵導(dǎo)流板進(jìn)行相關(guān)研究。本文通過對汽車發(fā)動機(jī)在最大功率點(diǎn)運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度分布情況的仿真研究，分析優(yōu)化發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處的結(jié)構(gòu)和在進(jìn)氣格柵處增設(shè)導(dǎo)流裝置對機(jī)艙溫度場分布的影響。

1發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場分析

1.1物理模型

根據(jù)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)定義特征參數(shù)，建立發(fā)動機(jī)艙模型、汽車模型、發(fā)動機(jī)模型、風(fēng)扇模型和水箱模型。模型的建立基于以下假設(shè)：

1)忽略發(fā)動機(jī)艙散熱過程中的輻射換熱；

2)空氣動力學(xué)中限定馬赫數(shù)Ma<0.3[9]時，氣流按不可壓縮處理。由于轎車的車速不高，馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.15，所以機(jī)艙內(nèi)的空氣流動可以按不可壓縮流處理；

3)進(jìn)氣格柵后面一般加有二級格柵網(wǎng)，可在視覺上隱藏散熱器組、發(fā)動機(jī)等部件，為減少劃分網(wǎng)格的難度，忽視二級格柵網(wǎng)的影響。

以某型汽油機(jī)汽車作為研究對象，汽車尺寸及技術(shù)參數(shù)：4沖程、4缸直列發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)外形尺寸為615 mm×580 mm×695 mm，車身寬度為1 682 mm，車身高度為1 424 mm，前輪距為1 425 mm，最小離地間隙為150 mm，輪胎規(guī)格為185/60 R14。

圖1　汽車模型

利用繪圖軟件PROE繪制汽車以及發(fā)動機(jī)的三維模型，汽車模型如圖1所示。

進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的冷卻氣流直接取決于汽車周圍的流場，所以分析汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場時，需要耦合汽車的外流場。從理論上講，計(jì)算區(qū)域的外邊界應(yīng)在汽車外圍的無窮遠(yuǎn)處，但在實(shí)際計(jì)算中，將其設(shè)在有限的范圍內(nèi)。為了減小阻塞效應(yīng)，模擬風(fēng)洞的尺寸選擇為：車頭前部空間長度取車長的7倍，車尾后部空間長度取車長的8倍，車頂上部空間高度、車側(cè)部空間長度分別取車高、車寬的5倍[10-11]。由于計(jì)算區(qū)域非常大，劃分網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算量很大，為減少計(jì)算資源的占用并保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[12-16]，將風(fēng)洞劃分成3部分，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后劃分的網(wǎng)格數(shù)量為6 913 685，劃分完成的網(wǎng)格如圖2、3所示。

圖2　計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖　　　　　　　　　　　　　　　圖3　風(fēng)洞橫向切面網(wǎng)格劃分示意圖

1.2計(jì)算模型

由于發(fā)動機(jī)艙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，空氣流動過程中存在大量邊界層分離、渦流等現(xiàn)象，流動處于紊流狀態(tài)，本文采用RNG K-Epsilon方程模型求解，此模型能解決一般的流動問題[2]49-50。RNG K-Epsilon模型方程[17-19]為：

(1)

(2)

1.3邊界條件設(shè)定

1)入口邊界條件。計(jì)算域的入口邊界設(shè)定為速度入口，設(shè)定汽車以60 km/h的速度勻速行駛，冷卻氣流溫度為環(huán)境溫度45 ℃。

2)出口邊界條件。計(jì)算域的出口邊界設(shè)定為壓力出口，該邊界條件可以處理出口有回流的問題，比outflow邊界條件更容易收斂，給定出口的壓力值為101.32 kPa。

3)散熱器的邊界條件。需對3個重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：表面滲透性(face permeability)、多孔介質(zhì)厚度(porous medium thickness)和壓力跳躍系數(shù)(pressure jump coefficient)。

4)風(fēng)扇邊界條件。發(fā)動機(jī)風(fēng)扇可以使用FLUENT軟件中的風(fēng)扇邊界條件進(jìn)行模擬。

5)壁面邊界條件。由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的冷卻空氣和艙內(nèi)部件主要通過對流換熱進(jìn)行熱交換，因此將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)發(fā)熱部件設(shè)置為溫度壁面邊界。環(huán)境溫度為45 ℃時，汽車在發(fā)動機(jī)最大功率點(diǎn)運(yùn)行0.5 h后，測量發(fā)動機(jī)艙內(nèi)發(fā)熱部位壁面即排氣管、散熱器、缸體及缸蓋的溫度[1]31-32分別為531、80、120、93 ℃。

1.4溫度場分析

假設(shè)汽車以60 km/h的速度在45 ℃的環(huán)境溫度下勻速行駛，通過fluent軟件計(jì)算得到的發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量在風(fēng)洞中的分布情況如圖4所示(圖中單位為℃)。冷卻氣流在風(fēng)洞中從上、下進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，被散熱器加熱后到達(dá)發(fā)動機(jī)，再從發(fā)動機(jī)艙底部流經(jīng)汽車底盤，最后匯入汽車的尾流，形成左右各一個漩渦，如圖5所示。

圖4　熱量在風(fēng)洞中的分布　　　　　　　　　　　　　　　圖5　汽車后方速度矢量圖

圖6、7分別為發(fā)動機(jī)艙縱對稱面溫度分布和氣流流動情況(圖6中單位為℃)。從圖6、7可見，發(fā)動機(jī)和散熱器是發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的主要熱源，其四周溫度較高。冷卻氣流從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，在進(jìn)氣格柵周圍形成很強(qiáng)的渦流，降低了發(fā)動機(jī)艙的進(jìn)氣效率；從下進(jìn)氣格柵進(jìn)入機(jī)艙的冷卻氣流直接從機(jī)艙底部流出，沒有被充分利用。冷卻氣流經(jīng)過散熱器后，由于散熱器被簡化成多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在粘性阻力和慣性阻力，使散熱器具有不完全通風(fēng)性，冷卻氣流在此受到阻擋，此處的氣流流動較為混亂，流速低，導(dǎo)致熱量滯留，溫度升高，最高溫度為106 ℃。冷卻氣流經(jīng)過風(fēng)扇后，溫度降為77 ℃左右，之后氣流到達(dá)發(fā)動機(jī)機(jī)體，沖刷發(fā)動機(jī)前側(cè)，氣流受到阻擋，氣流流速較低，在發(fā)動機(jī)后側(cè)和后下側(cè)形成氣流滯留區(qū)，高溫氣流來不及排出發(fā)動機(jī)艙，溫度較高，平均溫度為90 ℃左右。

圖6　發(fā)動機(jī)艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　　　　　　　　　　圖7　發(fā)動機(jī)艙縱對稱面溫度矢量圖

2發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場優(yōu)化

汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場優(yōu)化的重點(diǎn)是調(diào)整機(jī)艙內(nèi)冷卻氣流溫度的分布[20]。從仿真結(jié)果可以看出，汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)存在局部高溫，散熱器周圍和出風(fēng)口處溫度較高，提出兩種解決方案：1)優(yōu)化機(jī)艙排風(fēng)口處的結(jié)構(gòu)，使高溫氣體快速排出發(fā)動機(jī)艙，減少高溫氣體在機(jī)艙內(nèi)的停留時間；2)改進(jìn)進(jìn)氣格柵導(dǎo)流板傾斜角度，以改善機(jī)艙內(nèi)部的流場。

2.1優(yōu)化機(jī)艙出風(fēng)口處的結(jié)構(gòu)

將發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處腹板上方向發(fā)動機(jī)傾斜(向車輛前進(jìn)方向傾斜)10°，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

汽車以60 km/h的速度在環(huán)境溫度為45 ℃的條件下勻速行駛，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量在風(fēng)洞中的分布如圖9所示(圖中單位為℃)。對比圖4可見，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度明顯降低，從機(jī)艙排出的熱量明顯增多，發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處和汽車底盤處因熱量的大量排出而使溫度升高，平均溫度接近70 ℃。

圖8　發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處腹板上方向發(fā)動機(jī)傾斜　　　　　圖9　優(yōu)化機(jī)艙出風(fēng)口后熱量在風(fēng)洞中的分布情況

圖10為優(yōu)化出風(fēng)口后發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度的分布情況(圖中單位為℃)，與圖6對比可見，發(fā)動機(jī)前方區(qū)域的溫度顯著下降，發(fā)動機(jī)后方以及底盤高溫區(qū)域增大。圖11為優(yōu)化出風(fēng)口結(jié)構(gòu)后發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣流的流動情況，對比圖7可見，發(fā)動機(jī)艙進(jìn)氣格柵處的渦流明顯減少，機(jī)艙進(jìn)氣效率增加。

圖10　優(yōu)化后發(fā)動機(jī)艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　　圖11　優(yōu)化后發(fā)動機(jī)艙縱對稱面空氣溫度矢量圖

因此，將發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口處腹板上方向發(fā)動機(jī)傾斜后，機(jī)艙內(nèi)的熱量可以快速排出機(jī)艙，能有效降低機(jī)艙內(nèi)的溫度，由于大量熱空氣集中通過出風(fēng)口，使出風(fēng)口處的高溫區(qū)域有所增大。

2.2增設(shè)進(jìn)氣格柵導(dǎo)流板

汽車在行駛過程中，冷卻氣流通過汽車前端的上、下進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，是機(jī)艙內(nèi)流場的起點(diǎn)，進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)對冷卻系的性能有很大影響。研究表明[8]68，隨著車速的提高，雷諾數(shù)增加，車頭滯點(diǎn)位置上移(即車頭位置冷卻氣流速度為零的點(diǎn)上移)，下進(jìn)氣格柵的進(jìn)氣量增加。故若要增加高速工況下的進(jìn)氣量，最有效的方法是增大下進(jìn)氣格柵的面積，但若進(jìn)氣口面積過大，內(nèi)流阻力會增大，所以應(yīng)綜合考慮發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流場。

2.2.1無進(jìn)氣格柵和導(dǎo)流板

假設(shè)汽車無進(jìn)氣格柵，既可以減少冷卻氣流進(jìn)入機(jī)艙的阻力，又可以增加進(jìn)氣效率，理論上對汽車發(fā)動機(jī)艙的冷卻是有利的,故建立無進(jìn)氣格柵的汽車模型,計(jì)算發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度分布。

計(jì)算結(jié)果如圖12、13所示(圖12中單位為℃)，與圖6、7對比可見，無進(jìn)氣格柵時從發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口排出的熱量較多，但發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度很高。這是因?yàn)闊o進(jìn)氣格柵的阻擋，進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的冷卻氣流增多，但從發(fā)動機(jī)艙排出的氣流速度緩慢，散熱器和發(fā)動機(jī)后下方出現(xiàn)兩個高溫滯留區(qū)域，溫度高達(dá)110 ℃。

由此可見，進(jìn)氣格柵的設(shè)置不僅是因?yàn)槊烙^，還可以增大進(jìn)風(fēng)的湍流度，從而增強(qiáng)換熱，達(dá)到降低發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度的目的。

圖12　無進(jìn)氣格柵時發(fā)動機(jī)艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　圖13　無進(jìn)氣格柵時發(fā)動機(jī)縱對稱面空氣溫度矢量圖

2.2.2增設(shè)下進(jìn)氣格柵的導(dǎo)流板

從下進(jìn)氣格柵進(jìn)入機(jī)艙的冷卻氣流直接從發(fā)動機(jī)艙底部流出，沒有被充分利用到需冷卻散熱的部件，因此，在汽車下進(jìn)氣格柵處安裝導(dǎo)流板，改變進(jìn)風(fēng)角度，改善氣流流動方向，使更多的冷卻氣流通過散熱器，帶走更多熱量。導(dǎo)流板順流傾斜，導(dǎo)流板及安裝位置如圖14所示。

a)導(dǎo)流板　　　　　　　　　　　　b)仰視圖　　　　　　　　　　　c)側(cè)視圖圖14　導(dǎo)流板及安裝位置

圖15為冷卻氣流流向?qū)Ρ葓D，其中圖a)為原車型的氣流流向圖，圖b)為導(dǎo)流板傾斜5.0°時氣流流向圖。從圖a)中可以看到，從下進(jìn)氣格柵進(jìn)入機(jī)艙的氣流運(yùn)行方向比較混亂，沒有固定統(tǒng)一流向。圖b)中，下進(jìn)氣格柵的進(jìn)風(fēng)角度發(fā)生了變化，進(jìn)入機(jī)艙的冷卻氣流直接吹向水箱，使更多的冷卻風(fēng)通過水箱，提高了冷卻風(fēng)的利用率。

在其他條件相同的情況下，原型車及導(dǎo)流板傾斜不同角度時通過散熱器的冷卻氣流最大流量如表1所示。

a)改進(jìn)前　b)改進(jìn)后　圖15　冷卻氣流方向?qū)Ρ葓D

表1導(dǎo)流板傾斜不同角度時通過

散熱器的冷卻氣流流量kg/s

原車型導(dǎo)流板傾斜角度/(°)2.02.55.07.52.502.532.652.702.54

從表1可以看出：原車型的冷卻氣流通過量為2.50 kg/s，當(dāng)導(dǎo)流板傾斜角度小于5.0°時，冷卻氣流通過散熱器的流量持續(xù)上升，當(dāng)導(dǎo)流板傾斜5.0°時，通過散熱器的冷卻氣流達(dá)到最大值，比改進(jìn)前大約增加了8%，當(dāng)導(dǎo)流板傾斜角度為7.5°時，氣流量開始減小。由此可見，當(dāng)導(dǎo)流板傾斜角度為5.0°時，冷卻氣流得到了最有效利用，更有利于發(fā)動機(jī)艙及零部件的降溫。

車輛維修發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)后方和水箱周圍的橡膠部件易老化，驗(yàn)證了上述仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3結(jié)論

1)改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，能有效降低發(fā)動機(jī)艙的溫度，機(jī)艙平均溫度降低10 ℃左右，但熱量大多集中在發(fā)動機(jī)艙后部，即發(fā)動機(jī)排氣管附近，所以發(fā)動機(jī)后方不宜布置橡膠件等對溫度敏感的零件；

2)進(jìn)氣格柵有加速冷卻氣流在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行速度的作用，忽略進(jìn)氣格柵雖然可以增加進(jìn)氣量、減少進(jìn)氣阻力，但沒有達(dá)到降低發(fā)動機(jī)艙溫度的作用；

3)在下進(jìn)氣格柵處增加導(dǎo)流板可改善冷卻氣流進(jìn)氣角度，當(dāng)導(dǎo)流板傾斜角度為5.0°時，通過散熱器的冷卻氣流比改進(jìn)前增加了8%，冷卻風(fēng)得到最有效利用。

以上研究結(jié)果可為優(yōu)化發(fā)動機(jī)和機(jī)艙內(nèi)零部件布置、設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)艙和進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)提供參考。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Influence of Car Outlet and Inlet Grille on Temperature Field Distribution of Engine Compartment Based on FLUENT

WANGQi,YUMingjin,HUANGWanyou,SUNPeng

(SchoolofAutomotiveEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Abstract:In order to reduce the temperture of the engine compartment, this paper argues that the temperature of the engine compartment is lowered by improving the structure of the outlet and inlet grille according to the temperature field distribution of engine compartment.The model of the outlet and intake grille with the diversion structure is established by using PROE software.The grid computing areas and boundary conditions are generated by using GAMBIT software.A variety of models are calculated through the simulation by using FLUENT software.The results show that the guide structure near the outlet of the engine compartment reduces the temperature of engine compartment effectively and the installation angle of optimized guide plate of the air intake grille makes the cooling air used to the most effective extent, among which the cooling air through the radiator increases 8% compared with the unimproved condition.

Key words:engine compartment; temperature field; inlet grille; outlet

中圖分類號：U464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0001-06

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.001

作者簡介：王琪(1989—)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)行安全與節(jié)能環(huán)保,E-mail:447296275@qq.com.*通信作者：于明進(jìn)(1964—)，男，山東沂南人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠嚋y試技術(shù),E-mail:yumj@sdjtu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：山東交通科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011-35)

收稿日期：2016-01-12