某型SUV車發(fā)動機(jī)艙熱管理仿真分析及優(yōu)化*

杜子學(xué)　沈宏麗　葉雙平　王成杰（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院　重慶　400074）

某型SUV車發(fā)動機(jī)艙熱管理仿真分析及優(yōu)化*

杜子學(xué)沈宏麗葉雙平王成杰
（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院重慶400074）

對某型SUV車發(fā)動機(jī)艙流場及熱態(tài)進(jìn)行了仿真研究，分析了車輛在兩種不利工況下（爬坡與高速工況）發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流場、溫度場分布規(guī)律。針對發(fā)動機(jī)艙部分元件的溫度場與速度場特性，提出了相應(yīng)改進(jìn)方案，并對改進(jìn)模型進(jìn)行二次優(yōu)化，最終使發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部流場性能以及各零部件溫度場性能得到較大改善，對比試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果可知，仿真分析方法能夠滿足工程需要。

SUV發(fā)動機(jī)艙熱管理優(yōu)化

引言

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣體流動狀態(tài)和熱環(huán)境十分復(fù)雜，如果流場組織不合理，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙內(nèi)形成流動死區(qū)和局部高溫區(qū)，從而損害機(jī)艙元件，降低其使用壽命[1-2]。對于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)熱管理問題，若單純依靠試驗(yàn)研究，其難度較大，費(fèi)用高，且周期長。采用CFD分析方法進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理分析，能夠直觀得到機(jī)艙內(nèi)部流場和溫度分布規(guī)律，便于快速找到問題，合理優(yōu)化內(nèi)部流場，避免發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部形成流動死區(qū)及局部溫度過高區(qū)域，從而有效縮短研發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本[3]。本文運(yùn)用STAR-CCM+軟件對某型SUV車初期設(shè)計(jì)車型發(fā)動機(jī)艙散熱問題進(jìn)行了模擬分析，將分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比研究，驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)艙熱管理分析方法的有效性和可行性。在此基礎(chǔ)上，對改進(jìn)車型的發(fā)動機(jī)艙散熱問題進(jìn)行了仿真分析，并對改進(jìn)前后的仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對比研究。

1　計(jì)算模型與邊界條件

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)零部件眾多，且結(jié)構(gòu)形狀十分復(fù)雜，考慮到計(jì)算機(jī)硬件限制及計(jì)算收斂性，需對幾何模型進(jìn)行簡化處理。處理后的幾何模型如圖1所示。

圖1　幾何模型

車輛行駛空間在理論上是無限的，但在實(shí)際計(jì)算時，需確定一個有限的空間范圍[4]。本文建立車前2倍車長，車后3倍車長；整個寬度為3倍車寬；整個高度為4倍車高的計(jì)算域?？紤]實(shí)際車輪承載后的變形，在計(jì)算時將地面抬高10mm。為提高計(jì)算精度、計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性，對體網(wǎng)格按區(qū)域進(jìn)行不同程度的細(xì)化，并有選擇地生成邊界層，最終生成1 548萬單元規(guī)模的六面體核心Trimmed網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2　體網(wǎng)格模型

根據(jù)模擬工況，確定物理模型為三維、穩(wěn)態(tài)、定常密度[5]。排氣管、發(fā)動機(jī)等表面溫度均設(shè)定為試驗(yàn)測得溫度；風(fēng)扇采用MRF（Moving Reference Frame）模型，轉(zhuǎn)速為2 100r/min。地面為非滑移的移動地面。其他邊界條件設(shè)定見表1所示：

表1　邊界條件設(shè)定

采用多孔介質(zhì)模型時，需要對表征多孔介質(zhì)特性的兩個重要特性參數(shù)（粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)）進(jìn)行設(shè)置[6]。對冷凝器和散熱器迎面風(fēng)速與壓強(qiáng)損失關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到的結(jié)果如表2所示，

最終建立的壓強(qiáng)損失與速度的函數(shù)關(guān)系式為：

表2　冷凝器及散熱器迎面風(fēng)速與壓強(qiáng)損失關(guān)系

根據(jù)式（1）和式（2）可得出冷凝器和散熱器的粘性阻力值和慣性阻力值，具體數(shù)值如表3所示。

表3　冷凝器和散熱器性能參數(shù)

采用換熱模型后需給定冷凝器和散熱器的散熱量、參考溫度和修正溫度[7]?，F(xiàn)實(shí)中發(fā)動機(jī)通過冷卻系統(tǒng)散走的熱量很難精確計(jì)算。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以當(dāng)前車速對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的功率的30%為散熱器的散熱量；冷凝器散熱量通過試驗(yàn)得出；參考溫度和修正溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出[8]。最終得到的冷凝器和散熱器的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4　換熱器參數(shù)設(shè)置

2　仿真計(jì)算結(jié)果分析

圖3　 40km/h截面BL=0速度矢量圖

取BL、TL、WL向部分截面展示仿真結(jié)果中溫度與速度的分布情況。圖3為BL=0的速度矢量截面：冷卻風(fēng)從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，經(jīng)過換熱器組加熱后，再從發(fā)動機(jī)艙底部流入車身底盤，換熱器組的高溫氣流經(jīng)風(fēng)扇排出后流向變速器和發(fā)動機(jī)。兩個風(fēng)扇分別位于換熱器之后機(jī)艙中間左右的位置，在風(fēng)扇的抽吸及加速作用下，風(fēng)扇之后速度流場多且密集、表明速度較大。

圖4a)、圖4b)分別為40km/h、110km/h速度工況下截面BL=0局部速度矢量圖?？梢钥闯?，高速工況下，由于整體車速較高，整個速度流場密集，進(jìn)入進(jìn)氣格柵的氣流速度相對較大，速度流場分布比較均勻。

圖4　兩種車速下截面BL=0局部速度矢量圖

圖5a）、圖5b）分別為40km/h、110km/h速度工況下主線束溫度分布圖，由溫度分布圖可以得到溫度最高點(diǎn)位于散熱風(fēng)扇之后。其中爬坡工況下最高溫度點(diǎn)溫度108.8℃，超過了其容許最高溫度8.78℃。高速工況下，主線束最高溫度75.2℃滿足容許最高溫度要求。

圖5　兩種車速下主線束溫度圖

圖6為蓄電池與發(fā)動機(jī)缸蓋缸體位置溫度分布圖，從圖中可以看出，蓄電池最高溫度處是因離發(fā)動機(jī)缸蓋近，由發(fā)動機(jī)缸蓋高溫輻射造成的。

圖6　蓄電池溫度云圖

圖7為蓄電池的溫度場分布圖，爬坡工況下，蓄電池最高溫度為80.5℃，比容許溫度80℃稍高，高速工況下，蓄電池最高溫度62.9°C，滿足容許最高溫度要求。

圖7　兩種車速下蓄電池溫度圖

圖8a）給出了爬坡工況下風(fēng)扇表面溫度分布情況，風(fēng)扇位于散熱器的正后方，散熱器出風(fēng)面的溫度是114.2℃，所以風(fēng)扇大部分區(qū)域高溫，因?yàn)槿~片邊緣速度大，所以溫度略有降低。圖8b）是風(fēng)扇速度分布圖，從中心到葉片邊緣速度逐漸增大，這與溫度從中心到葉片邊緣溫度逐漸降低是一致的。

圖8　風(fēng)扇葉片溫度、速度分布圖

高速工況下，壓縮機(jī)吸入管最高溫度80.6°C、壓縮機(jī)排出管最高溫度80.7°C，均不超過容許最高溫度。爬坡工況下壓縮機(jī)吸入管最高溫度107.4℃；壓縮機(jī)排出管最高溫度107.2℃，分別高出容許溫度7.4℃、7.2℃，其最高溫度部位均在風(fēng)扇之后。對風(fēng)扇的表面溫度分布分析知，風(fēng)扇后區(qū)域由于換熱器加熱所以熱量較大。

爬坡工況下局部元件溫度偏高，蓄電池、壓縮機(jī)吸入管、壓縮機(jī)排出管這些元件最高溫度都在熱源附近，可以通過加隔熱罩來防止熱量輻射導(dǎo)致的溫度過高現(xiàn)象，但由于這些部件最高溫度基本滿足了工作要求范圍。而高速工況下，車速高，冷卻風(fēng)從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙流量多且均勻，說明格柵進(jìn)氣量對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)元件散熱有重要影響。為此，在原設(shè)計(jì)車型的進(jìn)氣格柵處加L型導(dǎo)流板來改善整車的部分流場分布，如圖9所示。在此基礎(chǔ)上再次進(jìn)行仿真分析，觀察對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)元件溫度的影響。截取加入導(dǎo)流板后40km/h BL=0局部速度矢量圖，如圖10所示。可以看到，進(jìn)入進(jìn)氣格柵和風(fēng)扇后的氣流更加均勻，流場的分布更趨于合理。對爬坡工況下最高溫度偏高部件進(jìn)行加入導(dǎo)流板前后的最高溫度對比，從表5中可以看出，進(jìn)氣格柵加L型導(dǎo)流板后關(guān)注件最高溫度均降至容許溫度范圍內(nèi)。

圖9　加導(dǎo)流板的進(jìn)氣格柵

圖10　 40km/h BL=0局部速度矢量圖

表5　進(jìn)氣格柵加導(dǎo)流板前后關(guān)鍵部件最高溫度對比表℃

3　機(jī)艙溫度場試驗(yàn)研究

在熱管理仿真計(jì)算完成后對某型SUV車進(jìn)行了機(jī)艙溫度場試驗(yàn)，用膠帶將傳感器貼在重點(diǎn)關(guān)注部件如蓄電池、ECU、托架膠套等元件的表面（如圖圖11所示）測量其工作溫度，試驗(yàn)得到的結(jié)果如表6所示。對各零部件的試驗(yàn)溫度值和計(jì)算溫度值進(jìn)行誤差分析可知，測量值與計(jì)算值出現(xiàn)的最大偏差為10.4%，該誤差在允許的精度范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)艙熱管理分析方法的有效性和可行性。

圖11　發(fā)動機(jī)艙熱管理試驗(yàn)

表6　發(fā)動機(jī)艙溫度場試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對比表

4　結(jié)論

通過對某型SUV車發(fā)動機(jī)艙熱管理模擬分析和試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）利用CFD軟件模擬汽車發(fā)動機(jī)艙散熱過程，得到發(fā)動機(jī)艙的溫度場、速度場以及關(guān)注件的表面溫度分布，從而確定發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各部件最高溫度發(fā)生的位置，為車身造型和總布置提供參考。

2）對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)局部溫度偏高元件進(jìn)行了重點(diǎn)研究。結(jié)合發(fā)動機(jī)艙內(nèi)冷卻氣流的流速大小和流向，得出造成其最高溫度偏高的原因并提出了改進(jìn)方案。通過對改進(jìn)方案進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了該方案的合理性。

3）將仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，可得出其相對誤差在允許范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的有效性。

4）對兩種工況下發(fā)動機(jī)艙熱管理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，格柵進(jìn)氣量對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)元件散熱有重要影響。

1趙新明.發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場的可視化分析及改善措施［J］.中國機(jī)械工程，2004，15(14):1306-1308

2唐因放.發(fā)動機(jī)艙散熱的CFD研究［J］.北京汽車，2009(4): 1-4

3王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004

4蔣光福.汽車發(fā)動機(jī)艙散熱特性研究［J］.汽車科技，2006（5）：18-23

5陶文銓.傳熱學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006

6 John F.Wendt.Computational Fluid Dynam ics［M］.Berlin: Springer，2008:3-14

7袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車發(fā)動機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程，2009，31(9):843-847，853

8肖能，王小碧，史建鵬.某車型機(jī)艙熱管理仿真分析及優(yōu)化［J］.汽車科技，2014（5）：56-61

Simulation Analysisand Optim ization of ThermalManagement ofa Certain TypeofSUVVehicleEngineCompartment

Du Zixue,Shen Hongli,Ye Shuangping,W ang Chengjie
SchoolofMechanical-Electronicand AutomobileEngineering,Chongqing JiaotongUniversity (Chongqing,400074,China）

A simulation study of the flow field and thermal state of the engine compartment of a certain type SUV car engine is carried out.The flow field and temperature field distribution of the vehicle in the engine compartment under the condition of two kinds of adverse conditions are analyzed.For the temperature field and velocity field characteristics of the engine compartment,the improved scheme is put forward,and the improvedmodel is optimized for the two times.In the end,the performance of the engine room is improved,and the temperature field of the parts is improved.The simulation analysismethod can meet the engineering needs.

SUV,Engine compartment,Thermalmanagement,Optimization

TH128，TP319

A

2095-8234（2016）02-0048-04

2016-01-18）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：51475062）。

杜子學(xué)（1962-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)方法與理論。