基于一、三維耦合的車輛熱管理研究與優(yōu)化

施鵬飛，李飛，于劍澤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于一、三維耦合的車輛熱管理研究與優(yōu)化

施鵬飛，李飛，于劍澤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章研究了發(fā)動機艙流場及進氣量對冷卻系統(tǒng)的影響，應用一維、三維耦合分析方法對車輛在高溫環(huán)境下的爬坡工況進行數(shù)值模擬。通過使用STAR CCM+軟件計算得到冷卻模塊通風量，輸入AMEsim軟件計算發(fā)動機冷卻液水溫，評價冷卻性能是否滿足設計要求。通過分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動機冷卻液溫度未能滿足設計目標要求，主要原因是車輛冷卻模塊周圍有明顯的氣流泄漏現(xiàn)象，通過添加冷卻導風板和封堵部分進氣格柵的方法使冷卻模塊的進風量有顯著的提升，高速爬坡工況下散熱器進氣量提高13.8%，發(fā)動機冷卻液由125.3℃下降到118.5℃，通過優(yōu)化達到了設計目標。

發(fā)動機艙；冷卻系統(tǒng)；冷流場；進氣量

前言

在傳統(tǒng)汽車設計開發(fā)過程中，冷卻系統(tǒng)屬于車輛熱管理的一部分，一般采用經(jīng)驗設計和工程評估的手段。但是，由于發(fā)動機艙的結(jié)構(gòu)復雜及試驗手段的局限性，很難準確的捕捉到機艙內(nèi)的流場特性，而且試驗手段在車輛開發(fā)初期很難準確的實現(xiàn)。仿真分析具有成本低、周期短、可更改性強等特點，已經(jīng)成為車輛開發(fā)過程中至關(guān)重要的手段。

國外對于發(fā)動機艙熱管理的研究較早，V.Damodaran和S.Kaushik利用CFD分析軟件FLUENT對汽車發(fā)動機艙進行仿真計算，并與實驗數(shù)據(jù)對標，驗證了仿真分析的準確性[1]。Norihiko Watanabe等利用一維和三維耦合仿真分析的方法，分析了發(fā)動機艙內(nèi)的氣流流動情況和零部件之間的熱傳遞情況[2][3]。2009年Vivek Kumar等采用CFD和Flow Network Modeling相結(jié)合的方法，對發(fā)動機艙內(nèi)流場進行了研究分析，仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合，驗證了這種方法的可靠性和實用性[4]。沃爾沃公司利用 POWERFLOW 軟件對汽車冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，通過對冷卻零部件的優(yōu)化選型，使發(fā)動機艙內(nèi)的散熱性能得到顯著提升[5][6]。國內(nèi)對于發(fā)動機艙熱管理的研究技術(shù)也日漸成熟，2003年，齊斌利用軟件KULI建立了某款車輛的熱管理系統(tǒng)模型，通過對風扇風量的仿真計算表明可控制風量的風扇對于降低冷卻系統(tǒng)功率消耗有明顯的作用[7]。成曉北應用軟件Flowmaster分析了整個柴油機的冷卻系統(tǒng)熱平衡及循環(huán)過程，并通過試驗方法驗證了仿真模型的準確性，針對存在的問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。周建軍利用軟件Fluent對某款轎車的冷卻系統(tǒng)進行仿真分析，并與實驗進行對比，評估了冷卻系統(tǒng)的性能[9]。趙永坡應用CFD模擬分析了怠速工況下某款轎車發(fā)動機艙內(nèi)的流場情況，通過添加導流通道解決了冷卻模塊周圍存在的氣流回流問題[10]。

本文以某車型作為研究對象，建立了詳細的三維整車熱管理分析模型以及一維冷卻模型，利用一維與三維耦合的方法分析了機艙流場及機艙進氣量對冷卻系統(tǒng)的影響，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對車輛進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使冷卻性能達到設計要求。

1 基本控制方程及湍流模型

1.1 基本控制方程

考慮到汽車機艙內(nèi)部的氣流速度角度且密度變化小，假設氣體為粘性定常不可而壓縮流體，基本控制方程為[11]：

連續(xù)方程：

動量守恒方程：

能量方程：

雷諾時均方程

用于描述寫湍流的納維-斯托克斯方程很難應用解析方法來進行求解。因此，學者們主要通過統(tǒng)計學或者平均的方法來解決湍流問題，雷諾時均方程作為主要解決湍流問題的方法其連續(xù)方程和動量方程為：

1.2 湍流模型

根據(jù)確定粘度方法的不同，湍流方程可以分為零方程模型、一方程模型、兩方程模型，其中常用到的模型是兩方程模型?；镜膬煞匠棠Ｐ褪菢藴蔾-ε模型，此外還有修正的RNGk-ε模型和 Realizablek-ε模型[12]。Realizablek-ε模型在邊界層及剪切流流動中的適應性較好，因此，本文選用Realizablek-ε模型。

2 仿真模型搭建

考慮車輛行駛的極限情況為車輛仿真計算的工況,即汽車爬坡的情況，環(huán)境溫度設定為38℃。確定計算工況后，使用三維整車仿真計算出一維所需要的計算邊界條件（格柵進氣量、多孔芯體風速等），再運用一維仿真分析出發(fā)動機冷卻液水溫度，用以判斷是否滿足車輛的冷卻性能。

2.1 三維計算模型

2.1.1 網(wǎng)格劃分

本文基于某車型作為研究對象，建立整車全尺寸模型，網(wǎng)格劃分時，忽略少量小尺寸零部件。設車輛長、寬、高分別為L、W、H，流體域為車前3L，車后6L，寬度為6W，高為6H。體網(wǎng)格劃分時，機艙內(nèi)部及車輛前端添加邊界層，并且在車頭和底盤添加網(wǎng)格局部加密區(qū)以提高計算精度。計算采用Trimmer網(wǎng)格，最終生成體網(wǎng)格數(shù)為43419981，機艙部分體網(wǎng)格Y=0mm剖面如圖1所示。

圖1 Y=0剖面體網(wǎng)格

2.1.2 邊界條件設定及參數(shù)設置

三維仿真分析計算的邊界條件如表1所示，控制方程采用有限體積法進行離散，物理量選擇全隱式分離求解，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散格式為二階精度迎風格式。

表1 邊界條件設定

2.2 一維計算模型

車輛冷卻系統(tǒng)中，常用到的換熱器包括、冷凝器、散熱器等等，主要熱源為發(fā)動機本體，冷卻液為 50%乙二醇+50%水，本文基于自然吸氣動力總成冷卻系統(tǒng)搭建了一維冷卻系統(tǒng)的模型，如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)示意圖

計算中采用的數(shù)據(jù)均由臺架試驗獲得，邊界條件如表 2所示，發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速以及水泵轉(zhuǎn)速均采用當前工況下扭矩和轉(zhuǎn)速。由于冷凝器不屬于冷卻系統(tǒng)，冷凝器的散熱量取當前工況點下發(fā)動機對應轉(zhuǎn)速下的放熱量。

表2 邊界條件

3 計算結(jié)果分析及優(yōu)化

3.1 計算結(jié)果

汽車在行駛的過程中，機艙內(nèi)冷卻模塊的散熱主要是通過來自進氣格柵和冷卻風扇的氣流進行熱交換，從而帶走零部件表面的熱量，來達到冷卻的目的。因此，通過對發(fā)動機艙內(nèi)的流場分析能夠清晰的看清氣流的走向，進而分析出當前車輛結(jié)構(gòu)形式是否能夠滿足冷卻系統(tǒng)的需求。

圖3所示為高速爬坡工況下Y=0mm處的速度分布圖（速度顯示范圍0-10m/s），從圖3中可以看出，氣體通過進氣格柵進入艙內(nèi)后，部分氣流未經(jīng)過冷卻模塊，即冷卻模塊周圍有明顯的氣流泄漏。

圖3 速度分布

當前結(jié)構(gòu)形式下散熱器和冷凝器的進氣量如表2所示，根據(jù)三維計算出的進氣量值代入一維模型中計算后，得到各工況下的發(fā)動機水溫值如表3所示：

表3 發(fā)動機水溫

從仿真計算的結(jié)果可以看出，在高速爬坡工況下冷卻液溫度不滿足要求。

一般在冷卻液溫度超過目標值時，通常可以采用添加導風板和密封、封堵部分進氣格柵、增加風扇的轉(zhuǎn)速等方法來增加散熱器的進氣量，從而達到降低冷卻液溫度的目的。本文僅從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來實施優(yōu)化。因此，在結(jié)構(gòu)上封堵了部分進氣格柵并且添加了導風板。

3.2 優(yōu)化分析計算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

根據(jù)發(fā)動機艙內(nèi)的流場及一維冷卻系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果可知，由于冷卻模塊周圍出現(xiàn)明顯的氣流泄漏現(xiàn)象，針對這一問題采用添加導風板來增強冷卻模塊的進氣量，進而改善氣流的流動，增加冷卻模塊的進氣量，冷卻導風板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冷卻導風板

此外，為了增加冷卻模塊的進氣量，封堵了部分進氣格柵，優(yōu)化后的進氣格柵如圖5所示。

圖5 冷卻導風板

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

圖6 速度分布

從圖6中可以看出，優(yōu)化后，在冷卻模塊周圍氣流流失的現(xiàn)象得到明顯的改善。經(jīng)過冷卻模塊的進風量與優(yōu)化前相比有明顯的提升（如表4示）。高速爬坡工況下，散熱器進風量增加13.8%，冷凝器進風量增加11.3%；低速爬坡工況下，散熱器進風量增加 5.5%，冷凝器進風量增加 5.7%，計算結(jié)果表明本文所采用的優(yōu)化方法對提升冷卻模塊的進氣量有明顯的作用。

表4 冷卻模塊進氣量

將表4計算得到的冷卻模塊進氣量重新代入一維仿真模型得到冷卻液溫度如表5所示，從優(yōu)化后一維仿真的結(jié)果可以看到，高速爬坡工況下冷卻液的溫度已經(jīng)滿足目標要求，說明針對此款車型，通過封堵部分格柵和添加冷卻導風板是合理的，并且達到了降低冷卻液溫度的目的，滿足設計目標。

表5 發(fā)動機水溫

4 結(jié)論

本文通過一、三維的耦合計算模擬了某款車在極限工況下的冷卻系統(tǒng)及發(fā)動機艙內(nèi)氣流流動情況，并針對存在的問題提出合理有效的優(yōu)化方案，使該車型發(fā)動機艙冷卻模塊和進氣格柵的匹配更加合理，在車輛開發(fā)初期為熱管理系統(tǒng)的工程設計提供一定的指導和參考。

結(jié)果表明：

1）通過對三維冷流場的分析可知冷卻模塊周圍存在比較大的氣流泄漏，得到了冷卻模塊的進氣量；一維冷卻分析結(jié)果表明，在高速爬坡工況下冷卻液的溫度超過了設計目標。

2）根據(jù)對發(fā)動機艙內(nèi)流場的分布情況，提出了增加冷卻導風板及封堵部分進氣格柵的優(yōu)化方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后車輛的冷卻模塊周圍泄漏的氣流明顯減少，高速爬坡工況下，散熱器的進氣量能夠提高 13.8%，最后一維分析驗證了優(yōu)化方案對冷卻液溫度的降低起到了明顯的作用，使其達到了工程設計要求。

[7] 齊斌.載重車熱管理系統(tǒng)仿真.

[8] 成曉北.潘立.車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計算.

[9] 周建軍,楊坤.數(shù)值模擬在整車熱管理中的應用.

[10] 趙永坡,劉鵬.發(fā)動機艙過熱的仿真分析.

[11] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(第 2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001:4-5.Tao Wenquan.Numerical Heat Transfer(2nded.) [M].Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2001:4-5. (in Chinese).

[12] 某新車型發(fā)動機艙熱管理的研究與改進.

Research and Optimization of Vehicle Thermal Management by 1D-3D Coupling

Shi Pengfei, Li Fei, Yu Jianze
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

The influenceof underhood and the cooling airflow on the cooling systemairflow characteristic are researched by using the 1D/3D coupling method. By using STAR CCM+ software the airflow on the cooling system is got,and then input 3D result to AMEsim software to calculate the temperature of coolant to evaluate the cooling performance.The analysis shows that there has obvious air leakage around the cooling module and the temperature of engine coolant failed to reach the requirements of design. By adding an cooling air guides and closing partial grilles could increase theamount of airflow observably,the airflow of radiator increased by 13.8% under the high speed climbing, the temperature of engine coolant decrease from 125.3℃ to 118.5℃,which reach the requirements of design.

Underhood; Cooling System; Numerical Simulation; Amount of Air

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-47-04

U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-47-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.017

施鵬飛，就職于華晨汽車工程研究院。