卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)與散熱性能的分析

盧艷艷（天津雷沃動(dòng)力有限公司，天津　300402）

卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)與散熱性能的分析

盧艷艷
（天津雷沃動(dòng)力有限公司，天津300402）

基于卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱環(huán)境的影響，使用CFD軟件對(duì)卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)、溫度啟用仿真數(shù)值計(jì)算，關(guān)注對(duì)流、換熱、輻射等影響因素，仿真出冷卻模塊與高溫原件的散熱原理，對(duì)卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的情況進(jìn)行有效的分析。本文通過(guò)對(duì)CFD模型；邊界條件；計(jì)算結(jié)果及分析三個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙；流場(chǎng)；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬；CFD

0　引言

隨著社會(huì)科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)整車系統(tǒng)的熱管理研究與內(nèi)外流的熱傳有了更高的要求?？ㄜ嚨陌l(fā)動(dòng)機(jī)包括：冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)本體、排氣歧管、油水電管路、高溫?zé)嵩?、危險(xiǎn)部件等?？ㄜ嚢l(fā)動(dòng)機(jī)艙熱輻射性很大，與內(nèi)外流形成固共扼傳熱效應(yīng)，因此，要改善這種惡劣的環(huán)境，提供科學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置與優(yōu)化方案。

1　CFD模型

1.1數(shù)值方法

在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，要考慮卡車的車速與聲速，還要考慮空氣密度的變化情況等，當(dāng)馬赫數(shù)值很低的時(shí)候，在低速空氣動(dòng)力學(xué)之中，屬于一種不可壓縮氣體。發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，有時(shí)會(huì)發(fā)生分流的情況，出現(xiàn)渦流，因此，可以使用有線體積法離散法控制方程。使用SIMPLE算法獲取離散方程組的壓力與速度耦合，在計(jì)算的全過(guò)程中，使用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律，遵照湍流運(yùn)輸方程。

1.2選擇網(wǎng)格劃分與計(jì)算域

依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)中的洞壁干擾、阻塞效應(yīng)、雷諾數(shù)效應(yīng)等影響情況下，對(duì)成車進(jìn)行有效的設(shè)定：前距離與車長(zhǎng)比是3：1，后距離與車長(zhǎng)比是5：1，兩側(cè)與車寬比是10：1，高度與車高比是5：1，總截面積與車身截面積比是50：1。如圖1所示，由于受到分子粘性的影響，與壁面相鄰接的粘性底層中，湍流的數(shù)很低，所以，可以布置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，在模型表面形成3層共3mm，地面表面形成6層共5Omm的邊界層來(lái)模擬近壁面氣體的流動(dòng)，并對(duì)前格柵、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車身下地面等主要流動(dòng)和溫度區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約是1780萬(wàn)。

圖1　整車和計(jì)算域圖

1.3換熱器與風(fēng)扇的模型

由散熱器、中冷器、冷凝器等組成了卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的換熱器，主要的性能包括：換熱器內(nèi)部的流動(dòng)特點(diǎn)、空氣側(cè)的流動(dòng)特點(diǎn)、換熱器本身使用材料、結(jié)構(gòu)等。換熱器結(jié)構(gòu)主要是板翹，所有內(nèi)部的通風(fēng)口設(shè)計(jì)的很小，使得網(wǎng)格不能直接捕捉到內(nèi)部流動(dòng)的變化，基于節(jié)約計(jì)算資源基礎(chǔ)下，通常使用熱交換器模型模擬換熱情況。

2　滿足邊界的條件

滿足邊界的條件有：速度入口、壓力出口、固體壁面等。車底流場(chǎng)直接受地面環(huán)境等因素的影響，可以對(duì)擾流特性、車底流場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流情況進(jìn)行干擾。所以，在計(jì)算的過(guò)程中，要考慮車身前端地面的滑移程度，后端地面的移動(dòng)程度等因素，降低影響。使用湍流強(qiáng)度與特征尺度公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

式中：I表示湍流特征強(qiáng)度；L表示湍流特征尺度；LH表示模型特征尺度；Re表示雷諾數(shù)；u表示入口來(lái)流速度；P、μ表示當(dāng)前溫度下空氣的密度和粘度。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

（1）分析與改進(jìn)措施。分析：最大的扭矩工況、額定功率工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙散熱起到的作用。首先，通過(guò)截面圖分析基于最大扭矩工況背景下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)狀況。氣流可以經(jīng)過(guò)上下格柵、保險(xiǎn)杠、格柵間的接縫進(jìn)入到機(jī)艙內(nèi)，形成流向冷卻模塊。通過(guò)中冷器、散熱器的運(yùn)行，對(duì)后流速起到降低的作用，經(jīng)過(guò)散熱器后端的冷卻風(fēng)扇的抽吸作用后流速急速上升。在散熱器上端出現(xiàn)了明顯的渦流現(xiàn)象，并沿著駕駛室的下端回流到散熱器的前端。空氣回流導(dǎo)致了冷卻模塊的循環(huán)加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的高溫區(qū)域在散熱器的后端和排氣歧管和渦輪增壓器附近的區(qū)域，最高溫度在118℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱環(huán)境很惡劣，要對(duì)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)阻比回流進(jìn)行優(yōu)化。散熱器下端的導(dǎo)流板導(dǎo)流作用不明顯，影響了中冷器的進(jìn)風(fēng)量。

改進(jìn)措施：①在散熱器兩側(cè)與車架縱梁之間添加阻風(fēng)板，阻斷回流。②在散熱器的上端添加隔板，隔斷散熱器上端的回流。③增大散熱器下端導(dǎo)流板的面積，增強(qiáng)散熱器與中冷器的進(jìn)風(fēng)量。④動(dòng)在中冷器和散熱器之間添加密封板，減少散熱器和中冷器之間的氣流泄漏。

（2）改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后對(duì)比分析。改進(jìn)結(jié)構(gòu)前：受到熱回流的影響，中冷器前端的車架橫梁區(qū)域覆蓋著一層溫度是60℃左右的熱空氣，散熱器上端部分很多的熱空氣。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后：添加阻風(fēng)板以后，在中冷器前端的區(qū)域，空氣溫度與環(huán)境溫度適中，極大的改善了艙內(nèi)的熱環(huán)境。因此，在散熱器上端添加隔流板很好的隔絕回流。對(duì)比分析：改進(jìn)結(jié)構(gòu)散熱器前端的區(qū)域存在大量高溫氣流，證明了之前對(duì)流場(chǎng)分析的熱空氣是沿著車架回流的設(shè)想。利用在散熱器兩側(cè)添加阻風(fēng)板的方法，改善了散熱器前端的空氣溫度與冷空氣適宜，說(shuō)證明了阻風(fēng)板可以有效的隔斷回流。添加阻風(fēng)板可以有效的阻擋回流的發(fā)生，改善艙內(nèi)的熱環(huán)境。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，使用CFD軟件對(duì)模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱情況進(jìn)行分析，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布，同時(shí)對(duì)冷卻模塊的散熱性能進(jìn)行校核。得出，熱回流可以影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱環(huán)境，使得工作環(huán)境很惡劣。阻風(fēng)板可以有效的改善回流現(xiàn)象，解決工作環(huán)境問(wèn)題，提高導(dǎo)流效應(yīng)，加強(qiáng)冷器的進(jìn)風(fēng)量。密封板可以提高中冷器與散熱器通道的密封性，減小漏風(fēng)，增強(qiáng)散熱的效率。

［1］曹國(guó)強(qiáng)，王良模，鄒小俊，袁劉凱，劉立軍.卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)分析與散熱性能研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（8）45-46.：

［2］胡文成，王良模，鄒小俊，劉立軍.卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)和散熱特性數(shù)值分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（4）：79-80.

［3］肖利英.微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性優(yōu)化研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013（6）：654-655.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.062