啟動(dòng)發(fā)電一體化車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值模擬

陳冠宇，資新運(yùn)，許 翔，曾繁綺，邊浩然

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

啟動(dòng)發(fā)電一體化車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值模擬

陳冠宇1，資新運(yùn)2，許 翔2，曾繁綺1，邊浩然1

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為解決啟動(dòng)發(fā)電一體化車輛在駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過高的問題，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法和CFD軟件Fluent，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度分布。計(jì)算發(fā)現(xiàn)：該發(fā)動(dòng)機(jī)艙的部分區(qū)域存在由于空氣流動(dòng)速度低導(dǎo)致熱量累積的問題。針對(duì)出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)方案，并通過數(shù)值模擬對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行驗(yàn)證，表明改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱效果得到明顯改善。

啟動(dòng)發(fā)電一體化；計(jì)算流體力學(xué)；發(fā)動(dòng)機(jī)艙；散熱

目前，我軍通用移動(dòng)電站逐漸被具有自發(fā)電系統(tǒng)的車載式移動(dòng)電站所取代，這種移動(dòng)電站體積小、重量輕，簡(jiǎn)化了發(fā)電裝備的結(jié)構(gòu)，降低了成本[1]。但是由于駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱環(huán)境比較差，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作，所以發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題顯得尤為重要。

近年由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)得到廣泛的應(yīng)用[2]。國(guó)外在這方面的研究起步較早，Anders Jonson[3]在新車型開發(fā)時(shí)利用Fluent對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，從而解決了熱管理問題；福特公司[4]通過增加空氣擋板來對(duì)旗下新車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，從而改善散熱效果；李鋒[5]將模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性；袁志群等[6]在包括風(fēng)洞試驗(yàn)在內(nèi)的多個(gè)方面，對(duì)汽車的熱管理問題都進(jìn)行了比較深入的探索與研究。

本文研究的是一種新型的電源車，該電源車通過在車輛離合器與變速器之間增加啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)(integrated starter/generator，ISG)等配套改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了車輛啟動(dòng)發(fā)電一體化，其駐車發(fā)電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG向外發(fā)出一定功率的電力供給其他設(shè)備。由于是駐車發(fā)電，沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的空氣對(duì)流，而且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷要比車輛正常怠速工況下高很多，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱提出了更高的要求。對(duì)于這種特殊工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題，國(guó)內(nèi)外還少有人研究，本文利用ANSYS公司開發(fā)的CFD仿真軟件Fluent，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，找出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的局部高溫區(qū)域，分析其高溫產(chǎn)生的主要原因，并針對(duì)以上問題提出了優(yōu)化方案，通過仿真計(jì)算，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)與傳熱數(shù)值模型

1.1建立幾何模型

在駐車發(fā)電的工況下，由于空氣絕大部分都是從汽車前方的進(jìn)氣格柵進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，所以設(shè)置這部分為計(jì)算域的入口，與此相對(duì)應(yīng)的計(jì)算域的出口設(shè)置在流出大部分氣體的機(jī)艙后方。考慮到劃分網(wǎng)格的難度、計(jì)算機(jī)自身的計(jì)算能力以及工作成本，對(duì)機(jī)艙模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保留艙內(nèi)的主要部件和一些必要的特征細(xì)節(jié)，在滿足所研究問題要求的計(jì)算精度的同時(shí)，也能夠符合工程上的經(jīng)濟(jì)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部簡(jiǎn)化幾何模型如圖1所示。

1.2基本控制方程

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)的空氣運(yùn)動(dòng)速度比較小，密度的變化也較小，故可將其近似視為常數(shù)，因此可把艙內(nèi)的空氣流場(chǎng)視為三維不可壓縮流場(chǎng)。對(duì)于流體的流動(dòng)，應(yīng)該遵守以下基本的物理方程。

(1)質(zhì)量守恒方程。

(1)

式中：ρ為密度；u、v、w為速度矢量分別在x、y、z方向上的分量。

(2)動(dòng)量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體微元體上的壓力；τxy、τyy、τzy等為由分子黏性作用在微元體表面上產(chǎn)生的黏性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy、Fz為微元體上的體力。

(3)能量守恒方程。

(5)

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源及由黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，它表示黏性耗散項(xiàng)。

1.3計(jì)算域的選擇與網(wǎng)格劃分

在建立好電源車的整車網(wǎng)格后，需要構(gòu)建合理的計(jì)算域。構(gòu)建計(jì)算域的原則是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)不會(huì)被外部的流場(chǎng)影響到，同時(shí)還要考慮到汽車尾部的湍流影響以及計(jì)算效率，據(jù)此，車前方取3倍的車輛長(zhǎng)度，后方取5倍的車長(zhǎng)，上方取5倍的車輛高度，兩側(cè)取5倍的車輛寬度。

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，由于部件數(shù)目眾多且外形較為復(fù)雜，不能采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部主要采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。同樣，在保證計(jì)算精度的前提下，為了減少計(jì)算量，對(duì)于機(jī)艙外部的流場(chǎng)也采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

1.4湍流模型

在湍流模型的選用方面，本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)模型，標(biāo)準(zhǔn)模型是目前應(yīng)用最廣的湍流模型，該模型在原有的湍流控制方程的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)兩個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能和耗散率的方程：

Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中：Gb為由浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);G1ε、G2ε、G3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σε分別是k和ε所代表的普朗特?cái)?shù);Sk和Sε為用戶所定義的源項(xiàng)。

1.5邊界條件

發(fā)動(dòng)機(jī)艙的邊界條件分為外部邊界條件和內(nèi)部邊界條件。外部邊界條件包括出口和進(jìn)口邊界條件。進(jìn)口邊界采用速度入口，由于本文所研究的流場(chǎng)是不可壓縮的流場(chǎng)，所以采用了壓力出口作為流場(chǎng)的出口邊界條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部，其包括的邊界條件有多孔介質(zhì)模型、換熱模型和風(fēng)扇模型。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端的散熱器里面的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，若按照其實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸來對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其計(jì)算量過于龐大，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無法承受，因此把這種換熱器視為多孔介質(zhì)來處理。散熱器的設(shè)置可以根據(jù)試驗(yàn)得到的阻力曲線來獲得，并將散熱器當(dāng)作熱源處理，賦予相應(yīng)的體積熱源。

根據(jù)廠家提供的散熱器的壓強(qiáng)損失與氣流速度相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)，采用插值法可以求得該散熱器上的相關(guān)系數(shù)。

表1 散熱器壓強(qiáng)損失與迎面風(fēng)速的關(guān)系

由表1可以擬合得到的函數(shù)關(guān)系為

(8)

式中Δm為散熱器的厚度。

由式(8)可知散熱器的慣性阻尼系數(shù)是117.91，黏性阻尼系數(shù)是500.63，將作為多孔阻尼介質(zhì)的初始輸入?yún)?shù)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

截取Z平面和Y平面上通過關(guān)鍵部件的關(guān)鍵截面(如圖2所示)，生成該截面的溫度分布圖和速度矢量圖，可以在圖中找到機(jī)艙的高溫區(qū)域，并通過對(duì)溫度云圖和速度矢量圖的進(jìn)一步分析，找出產(chǎn)生高溫的原因。

圖2 截面位置

圖3、圖4所示的Y=-0.13截面穿過了進(jìn)氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣歧管、風(fēng)扇和散熱器。在駐車發(fā)電時(shí)，機(jī)艙內(nèi)的空氣在散熱風(fēng)扇的后面速度達(dá)到最大，在排氣歧管周圍區(qū)域溫度達(dá)到最高。從圖3的速度場(chǎng)分布中可以看到，空氣在經(jīng)過散熱器時(shí)由于受到阻礙，降低了風(fēng)速，但隨后又因?yàn)樯犸L(fēng)扇的抽吸作用使其速度迅速攀升。氣流在流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)被分為兩個(gè)部分，一部分向上經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，另外一部分向下流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼。在圖中可以看到在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱風(fēng)扇之間存在渦流，氣流到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)后沿著機(jī)體回流到散熱器之前，形成熱回流。同樣存在渦流的區(qū)域還有排氣管和離合器下方車架的周圍，氣流經(jīng)過時(shí)圍繞其形成渦流，再次流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，把排氣管的熱量帶給了發(fā)動(dòng)機(jī)，形成熱回流，不利于散熱效果。從圖4可知，溫度較高的區(qū)域主要存在于散熱器的后方區(qū)域和排氣歧管的附近，這是由于排氣歧管的散熱量很大導(dǎo)致周圍空氣溫度急劇升高。

圖3 Y=-0.13截面速度矢量圖

圖4 Y=-0.13截面溫度云圖

圖5 Z=0截面速度矢量圖

圖6 Z=0截面溫度云圖

圖5、圖6所示為Z=0截面仿真計(jì)算得到的速度矢量圖和溫度云圖。Z截面主要經(jīng)過風(fēng)扇、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管。截面的高溫氣體主要分布在排氣管周圍，高溫氣體相對(duì)比較集中。艙內(nèi)的左右溫度分布不同，右邊的溫度比左邊的溫度高。對(duì)照矢量流線圖和溫度云圖可以看出，空氣流動(dòng)速度低是截面局部高溫的主要原因。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真驗(yàn)證

針對(duì)以上對(duì)仿真結(jié)果的分析找到了發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的高溫區(qū)，并分析出高溫區(qū)產(chǎn)生的原因主要是由于散熱器散熱的效果直接取決于風(fēng)扇的風(fēng)量，由于駐車發(fā)電無法產(chǎn)生對(duì)流，只能依靠風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，風(fēng)速較低，風(fēng)量較小，無法滿足機(jī)艙的散熱要求。據(jù)此提出改進(jìn)方案：在散熱器的前面加裝一臺(tái)吹風(fēng)扇，配合散熱器后面的吸風(fēng)扇一起對(duì)散熱器進(jìn)行散熱。改裝之后的幾何模型如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)構(gòu)

對(duì)改裝之后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行仿真計(jì)算，在相同的位置截面觀察改進(jìn)效果。改進(jìn)后的速度矢量圖和溫度云圖如圖8、圖9所示。對(duì)比圖3和圖8可以看出，在散熱器前面加裝風(fēng)扇后，經(jīng)過散熱器流向發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流速度與流量都得到明顯提高，而且改進(jìn)前散熱器前產(chǎn)生的回流也因?yàn)榧友b的風(fēng)扇而改變了流動(dòng)方向，改善了回流現(xiàn)象帶來的散熱問題。對(duì)比圖4和圖9可以看到，改進(jìn)后原來存在的高溫區(qū)域的溫度有了明顯的改善，尤其是改進(jìn)前發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管周圍區(qū)域，這是機(jī)艙內(nèi)溫度最高的區(qū)域，經(jīng)過改進(jìn)后，該區(qū)域溫度明顯降低，與此同時(shí)由于流速的提高以及回流現(xiàn)象的改善，散熱器前端的高溫也得到緩解，這是由于風(fēng)扇數(shù)目的增加以及前后風(fēng)扇的協(xié)同散熱作用，使得經(jīng)過散熱器的空氣流量增加，加快了散熱器的散熱速度，改善了散熱器的散熱效果。

為了更好地比較改進(jìn)前后的散熱效果，在一些重要部位比如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋區(qū)域、排氣歧管區(qū)域、散熱器后方區(qū)域和變速器區(qū)域取一些較有代表性的觀測(cè)點(diǎn)(如圖10所示)，通過比較觀測(cè)點(diǎn)在改進(jìn)前后的溫度值(見表2)可以看出增裝風(fēng)扇明顯改善了散熱器的散熱效果。

圖8 改進(jìn)后速度矢量圖

圖9 改進(jìn)后溫度云圖

圖10 采樣點(diǎn)位置

采樣點(diǎn)改進(jìn)前溫度/℃改進(jìn)后溫度/℃P17857P214775P37662P46252

由表2可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙在散熱器前增加風(fēng)扇之后，機(jī)艙內(nèi)各部分的溫度整體得到改善，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋附近和排氣歧管附近區(qū)域的溫度明顯降低，更加具體地驗(yàn)證了改進(jìn)的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用CFD軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型電源車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度云圖和速度矢量圖，找出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最高溫度的位置以及流場(chǎng)的流動(dòng)狀況，分析機(jī)艙產(chǎn)生高溫的原因，為下一步機(jī)艙結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。針對(duì)仿真分析的結(jié)果，采用在散熱器前加裝吹風(fēng)扇的改進(jìn)方法，增大了流過散熱器的風(fēng)量，與機(jī)艙本身自帶的吸風(fēng)扇協(xié)同作用，更好地給散熱器進(jìn)行散熱，使得原來的高溫區(qū)有明顯的改善，為新型電源車機(jī)艙結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)提供參考，也為新型電源車駐車發(fā)電提供了可靠保障。

通過仿真計(jì)算表明，邊界條件對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果影響很大，有必要進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確程度。由于排氣管和車架的周圍存在較大渦流，所以可以考慮在這些區(qū)域合理的位置增加空氣導(dǎo)流板，改善空氣的回流現(xiàn)象，這樣既可以解決渦流的問題，又能讓更多的空氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行散熱。

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(編輯：張峰)

NumericalSimulationonHeatDissipationofIntegratedStarter/GeneratorVehicleEngineCabin

CHEN Guanyu1, ZI Xinyun2, XU Xiang2, ZENG Fanqi1, BIAN Haoran1

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To solve the high temperature in engine cabin while an intergrated starter/generator(ISG) vehicle is generating, the paper firstly makes numerical simulation on air flow field and temperature field in engine cabin with computational fluid dynamics (CFD) method and Fluent software, and obtains flow field and temperature distribution in engine cabin. The calculation shows that heat accumulation in some region of the engine cabin is caused by low air flow rate. Then, it puts forward improvement scheme for the problem and verifies the improvement effect through numerical simulation. The result shows that the heat dissipation effect of the engine cabin has been improved obviously.

intergrated starter/generator(ISG); computational fluid dynamics (CFD); engine cabin; heat dissipation

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.010

U1463.6

A

1674-2192(2017)10- 0038- 05

2017-06-30；

2017-08-25.

陳冠宇(1995—)，男，碩士研究生；資新運(yùn)(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師.