某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場實(shí)例研究*

榮升格 ,施帆君,汪婧,張勝

(1.蕪湖凱翼汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場實(shí)例研究*

榮升格1,施帆君1,汪婧2,張勝1

(1.蕪湖凱翼汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

某轎車在進(jìn)行整車?yán)鋮s溫度場試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)氣口、散熱器風(fēng)扇表面、轉(zhuǎn)速傳感器、蓄電池表面等零部件溫度值均超其設(shè)計(jì)耐熱極限值，為了解決這一問題，通過計(jì)算機(jī)模擬，運(yùn)用流體分析Fluent軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行熱流場仿真分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場回流嚴(yán)重，通過優(yōu)化分析，增加泡沫緩沖塊以及封堵前格柵蓋板后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部回流現(xiàn)象被有效控制。

冷卻溫度場；計(jì)算機(jī)仿真；熱流場

近年來，伴隨國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，轎車普及速度越來越快，消費(fèi)人群的分布也從單一型走向多元型，同時(shí)國內(nèi)環(huán)境氣候溫度帶分布廣泛，南北地區(qū)溫度極差較大，對于轎車使用工況也復(fù)雜得多，通過整車溫度場試驗(yàn)考察轎車在不同工況下冷卻性能以及零部件熱害值[1]，已成為主機(jī)廠不可或缺的一項(xiàng)基本試驗(yàn)要求。

對于小型轎車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置較為緊湊，且為半封閉式空間，不合理的布置空間[2]會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)熱空氣回流，零部件工作溫度提高，使用壽命縮短；相關(guān)文獻(xiàn)提出[3-5]，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過高，直接影響整車動(dòng)力性，同時(shí)空燃比減小，整車油耗增加。因此，合理布置發(fā)動(dòng)機(jī)艙附件是影響整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的重要條件。

1 實(shí)例研究

以某A0級轎車為例，在開發(fā)過程中進(jìn)行整車溫度場試驗(yàn)。其中試驗(yàn)條件：怠速工況以及行駛工況(速度40 km/h)，環(huán)境溫度38℃。試驗(yàn)結(jié)果表明:怠速和行駛條件下該轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部分附件溫度超標(biāo)，整車溫度場試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 整車溫度場試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Testing results of entire car temperature field

從試驗(yàn)結(jié)論中可以看出，無論是怠速條件還是行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)周邊附件溫度均為超標(biāo)，進(jìn)氣口溫度超出設(shè)計(jì)溫度7 ℃～10 ℃，進(jìn)氣溫度過高會(huì)直接導(dǎo)致整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降。散熱器表面、轉(zhuǎn)速傳感器、蓄電池表面溫度超標(biāo)，會(huì)加速零部件的熱老化，長期處于高溫工作狀態(tài)，會(huì)直接縮短零部件使用壽命，引起售后市場抱怨，影響車輛銷售。經(jīng)過初步分析判斷，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件工作溫度超標(biāo)主要是因艙內(nèi)溫度場存在熱空氣回流，必須要通過優(yōu)化艙內(nèi)部場進(jìn)行解決。本文通過計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(Computatonal Fluid Dynamics，CFD)結(jié)合流體分析軟件Fluent對發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，分析艙內(nèi)流場趨勢，并提出合理的解決方法與措施。

1.1 仿真模型

因轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置較為緊湊而且復(fù)雜。為了保證計(jì)算機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場的準(zhǔn)確性，本文對轎車模型比例采用1∶ 1導(dǎo)入，對車身、底盤等部件采用粗網(wǎng)格進(jìn)行處理以保持整車的完整性。發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模塊采用通用的冷凝器、散熱器、風(fēng)扇布置順序[5]，因前端模塊對流場分析結(jié)果較大，此處采用細(xì)網(wǎng)絡(luò)化處理提高計(jì)算精度。

采用CFD模擬內(nèi)部流場分析，分布步驟如下：通過前處理軟件GMBIT對發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件及整車數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理；覆蓋零部件2D網(wǎng)格；設(shè)定計(jì)算域，通過軟件處理生成3D網(wǎng)格；選擇數(shù)值計(jì)算模型并設(shè)定計(jì)算條件，進(jìn)行定常計(jì)算；導(dǎo)出分析結(jié)果。

本文結(jié)合仿真模型與數(shù)值模型，對該轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行詳盡的模擬說明：整車與發(fā)動(dòng)機(jī)艙2D3D網(wǎng)格生成；設(shè)定邊界條件，選擇數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)；導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果；分析對比計(jì)算結(jié)論，優(yōu)化邊界條件，提出解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場回流的方法。

在模擬艙內(nèi)流場仿真計(jì)算時(shí)，整車外部流場狀態(tài)對其影響較大，因此本文將外部流場計(jì)算域?qū)霐?shù)值模型中。并將艙內(nèi)流場與艙外流場進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)不同的區(qū)域定義不同網(wǎng)格細(xì)化程度。整車共計(jì)處理網(wǎng)格1 500萬，整車仿真模型與艙內(nèi)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙前部(左)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部(右)模型Fig.1 Front part of engine cabin(left) and interior part of cabin (right)

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

依據(jù)流體力學(xué)原理，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流體屬于不可壓縮性質(zhì)，如考察內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可采用Navier-Stokes Equations方程來計(jì)算，簡稱N-S方程。N-S方程是描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程，具有計(jì)算迭代性。結(jié)合N-S方程，其數(shù)值模擬公式如下：

(1)

(2)

(3)

由于邊界條件設(shè)定直接影響整個(gè)計(jì)算過程精確性，合理設(shè)置計(jì)算邊界，對實(shí)際工程指導(dǎo)意義會(huì)產(chǎn)生重大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場模擬邊界條件的設(shè)定，可以從車輛運(yùn)動(dòng)速度、壓力條件、壁面邊界、復(fù)雜部件定義、自運(yùn)動(dòng)部件定義等考慮。

考慮到冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電路系統(tǒng)等部件較為復(fù)雜，本文統(tǒng)一定義多孔介質(zhì)進(jìn)行處理。對于艙內(nèi)自運(yùn)動(dòng)件有散熱器風(fēng)扇，則考慮采用MBF方法模擬。計(jì)算邊界條件約束：運(yùn)動(dòng)速度即模型入口速度，考慮采用兩種工況條件怠速工況0 km/h，以及車速40 km/h；出口壓力條件，在計(jì)算中的出口面，采用一個(gè)大氣壓；壁面邊界，設(shè)定壁面運(yùn)動(dòng)速度為0 m/s；多孔介質(zhì)處理，通過設(shè)置慣性阻力系數(shù)，黏性阻力系統(tǒng)及孔隙率，對于冷卻系統(tǒng)的多孔介質(zhì)處理數(shù)值由產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門提供。

1.3 計(jì)算結(jié)果

散熱器風(fēng)扇速度為2 380 rpm，工況條件：怠速工況0 km/h以及車速40km/h，地面定義為滑移。其中冷凝器、散熱器多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)定如表2所示，冷卻模塊風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 冷凝器、散熱器多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)定表Table 2 Parameters of multiporous media of condenser and radiator

表3 冷卻模塊風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 3 Input air calculation results of cooling block

1.3.1 怠速工況

通過CFD計(jì)算機(jī)模擬后，怠速條件下，冷凝器與散熱器入口面上速度分布如圖2所示。

圖2 冷凝器(左)與散熱器(右)進(jìn)口風(fēng)速圖(0 km/h)Fig.2 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator(right)

由于副駕側(cè)風(fēng)扇離散熱器出口面約10 mm，主駕側(cè)風(fēng)扇離散熱器出口約28 mm，形成副駕側(cè)風(fēng)扇抽吸猛烈，對應(yīng)風(fēng)速較高；而主駕側(cè)風(fēng)扇由于空間足夠，抽吸作用相對較弱，但均勻性較好。從表3中的流量來看，主駕側(cè)風(fēng)扇效果好于副駕側(cè)風(fēng)扇。散熱器和冷凝器間距為10 mm左右，使得風(fēng)扇對冷凝器的抽風(fēng)效果較明顯。對進(jìn)入冷凝器和離開散熱器風(fēng)扇的氣流流線圖如圖3所示：

圖3 冷凝器進(jìn)口(左)與離開風(fēng)扇出口(右)氣流流線圖(0 km/h)Fig.3 Air flow line of condenser enter port(left) and radiator fan outlet(right)

從風(fēng)扇出來的冷卻氣流，有很嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，主要路徑是前防撞橫梁與前保間的間隙；發(fā)艙蓋與水箱上橫梁之間的間隙。進(jìn)入冷凝器的氣流大部分來自下格柵。

1.3.2 40 km/h工況

車速為40 km/h條件下，冷凝器與散熱器入口面上速度分布如圖4所示。

圖4 冷凝器(左)與散熱器(右)進(jìn)口風(fēng)速圖(40 km/h)Fig.4 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator(right)

因雙風(fēng)扇抽吸作用較強(qiáng)，在40 km/h工況下，冷卻模塊流量增加不是很多。40 km/h對進(jìn)入冷凝器和離開散熱器風(fēng)扇的氣流流線圖如圖5所示，圖6為各切面速度矢量圖。

圖5 冷凝器進(jìn)口(左)與離開風(fēng)扇出口(中)、周邊進(jìn)入散熱器(右)氣流流線圖(0 km/h)Fig.5 Air flow line of condenser enter port(left),fan outlet(middle)and radiator(right)

圖6 各切面速度矢量圖(40 km/h)Fig.6 Vector of each section speed

進(jìn)入冷凝器的氣流主要來自下格柵；從Z向切面速度矢量圖可見，冷凝器及散熱器側(cè)面回流較少；部分氣流未經(jīng)過冷凝器便直接從上下間隙進(jìn)入了散熱器；從上格柵進(jìn)入的氣流主要由水箱上橫梁處流入艙內(nèi)，未經(jīng)過冷卻模塊，屬無效氣流。

1.4 計(jì)算分析

經(jīng)過與數(shù)據(jù)庫對比發(fā)現(xiàn)：散熱器的空氣側(cè)風(fēng)阻偏小，導(dǎo)致計(jì)算得出的散熱器風(fēng)量變大。同時(shí)艙內(nèi)空間布置不合理，考慮調(diào)整副駕側(cè)風(fēng)扇位置，以增強(qiáng)抽吸效果；發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)主要回流來源于前防撞橫梁與前保間的間隙。建議此處增加泡沫緩沖塊，則回流現(xiàn)象會(huì)減弱；同時(shí)對冷卻模塊與車身鈑金件之間的加強(qiáng)密封，尤其是水箱上橫梁與發(fā)艙蓋之間、冷凝器與散熱器之間的密封。

2 優(yōu)化方案

考慮車輛防撞橫梁與前保間的間隙是回流主要路徑，同時(shí)周邊冷卻模塊并未完全封堵。優(yōu)化方案采用增加泡沫緩沖塊，以及增加前格柵蓋板，優(yōu)化內(nèi)部流場路徑，優(yōu)化后數(shù)模結(jié)構(gòu)見圖7。

冷卻模塊風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖7 增加前格柵蓋板與泡沫緩沖塊截面圖Fig.7 The section of grille cover and foam cushion block before increasing

表4 冷卻模塊風(fēng)量計(jì)算結(jié)果Table 4 Wind calculation result of cooling block

2.1 怠速工況

優(yōu)化增加泡沫緩沖塊與前格柵蓋板后，在怠速條件下，冷凝器與散熱器入口面上速度分布如圖9所示。

圖8 冷凝器(左)與散熱器(右)進(jìn)口風(fēng)速圖(0 km/h)Fig.8 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator (right)

副駕側(cè)風(fēng)扇離散熱器出口面較主駕側(cè)近，導(dǎo)致副駕側(cè)局部風(fēng)速較高；而主駕側(cè)風(fēng)扇由于空間足夠，均勻性較好。從表4中的流量來看，主駕側(cè)風(fēng)扇效果好于副駕側(cè)風(fēng)扇。散熱器和冷凝器間距為10 mm左右，使得風(fēng)扇對冷凝器的抽風(fēng)效果較明顯。Y=100 mm與Z=253 mm切面速度矢量圖如圖9。

從圖9可以看出加入前格柵蓋板，阻滯由風(fēng)扇出來的熱風(fēng)回流進(jìn)入冷凝器，對冷卻性能起到了良好的效果。

圖9 Y=100 mm與Z=253 mm切面速度矢量圖(0 km/h)Fig.9 Secetion speed vector when Y=100 mm and Z=253 mm

2.2 40 km/h工況

40 km/h條件下，冷凝器與散熱器入口面上速度分布圖以及Y=100 mm與Z=253 mm切面速度矢量圖如10、圖11所示。

圖10 冷凝器(左)與散熱器(右)進(jìn)口風(fēng)速圖(40km/h)Fig.10 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator (right)

圖11 Y=100 mm與Z=253 mm切面速度矢量圖(40 km/h)Fig.11 Secetion speed vector when Y=100 mm and Z=253 mm

因雙風(fēng)扇抽吸作用較強(qiáng)，在40 km/h工況下，冷卻模塊流量增加不是很多。同時(shí)在怠速工況下，由于前格柵蓋板中部存在空洞，冷凝器和散熱器的上部仍有一些回流；在40 km/h工況下，冷卻模塊周圍的回流較少。

2.3 優(yōu)化計(jì)算分析

經(jīng)過優(yōu)化分析，加入泡沫緩沖塊和前格柵蓋板，改善原車型中前防撞橫梁與前保險(xiǎn)杠之間、發(fā)艙蓋與水箱上橫梁之間明顯的回流現(xiàn)象。40 km/h行駛工況下，基本解決前艙流場回流問題。綜上所述，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻流場整體效果較好。

3 結(jié) 論

在整車開發(fā)前期，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的零部件布置是影響整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型的重要因素；發(fā)動(dòng)機(jī)艙的零部件布置前期，通過CFD流場分析，可以有效地避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部熱流場回流問題，并快速有效地尋求到最佳方案；對于工程案例來說，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，可以有效節(jié)約主機(jī)廠在進(jìn)行整車開發(fā)的周期以及研發(fā)成本；計(jì)算機(jī)仿真模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場分析的高效性，準(zhǔn)確性，應(yīng)作為后續(xù)主機(jī)廠開發(fā)整車的重要工作方向。

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Example Research on Thermal Current Field of Car Engine Cabin

RONGSheng-ge1,SHIFan-jun1,WANGJing2,ZHANGSheng1

(1.Wuhu Caiyi Auto Co.,Ltd,Anhui Wuhu 241000,China; 2.School of Computer and Information,Anhui Polytechnic University,Anhui Wuhu 241000,China)

When a car was testing on its entire vehicle cooling temperature field,it was found that the temperature of its engine compartment air inlet,radiator fan surface,speed sensor,battery surface and other parts exceeded its temperature value of the design of thermal limit.Through computer simulation,by using fluid analysis software Fluent to conduct thermal flow field simulation analysis of engine compartment,this paper found that the interior recirculation of engine cabin was serious.Through optimizing analysis,by increasing foam cushion block,and by blocking front grille cover,the interior recirculation phenomena in the engine cabin were effectively controlled.

cooling temperature field; computer simulation; thermal current field

TH164

：A

：1672-058X(2017)05-0088-07

責(zé)任編輯：羅姍姍

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0005.015

2016-11-03；

：2016-12-28.

安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(JSJKF201609).

榮升格(1982-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，工程師，碩士，從事車輛冷卻溫度場和計(jì)算機(jī)仿真研究．