汽車(chē)壓縮機(jī)熱害問(wèn)題的CFD仿真優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

（北京汽車(chē)股份有限公司 101300)

汽車(chē)的壓縮機(jī)對(duì)汽車(chē)空調(diào)的制冷劑有壓縮和輸送的作用[1]，被譽(yù)為汽車(chē)空調(diào)的心臟。壓縮機(jī)內(nèi)部的密封橡膠圈和潤(rùn)滑油，在高溫環(huán)境下工作容易破壞，破壞后容易引起壓縮機(jī)的異響或拉缸，甚至造成壓縮機(jī)的磨損報(bào)廢，所以汽車(chē)壓縮機(jī)要避免出現(xiàn)熱害風(fēng)險(xiǎn)。汽車(chē)排氣管系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度最高的部件，某些工況下能夠達(dá)到600～800℃，這個(gè)高溫的表面會(huì)對(duì)周邊零部件產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，同時(shí)會(huì)顯著加熱流經(jīng)周?chē)目諝?，進(jìn)而高溫的空氣會(huì)對(duì)下游產(chǎn)生明顯影響。

由于試驗(yàn)費(fèi)用和仿真精度等問(wèn)題國(guó)內(nèi)一般車(chē)企都采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)解決和規(guī)避汽車(chē)零部件的熱害問(wèn)題。某車(chē)型進(jìn)行熱害試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)局部溫度超出其最高耐溫，存在嚴(yán)重的熱害風(fēng)險(xiǎn)。

本文采用STARCCM+流體軟件,從熱輻射和空氣對(duì)流兩個(gè)角度，分析壓縮機(jī)熱害產(chǎn)生的原因，通過(guò)從增加前格柵開(kāi)口增大進(jìn)入機(jī)艙的冷風(fēng)量、增大冷卻風(fēng)扇的尺寸和轉(zhuǎn)速以加大機(jī)艙內(nèi)冷風(fēng)的抽入量，移動(dòng)壓縮機(jī)的布置位置，使它遠(yuǎn)離排氣管熱源，增加排氣管隔熱罩，隔絕排氣管對(duì)壓縮機(jī)的輻射，優(yōu)化上游排氣管隔熱罩，降低對(duì)經(jīng)過(guò)排氣管路空氣的加熱，從而減少對(duì)處于氣流下游位置壓縮機(jī)的加熱效果，改變排氣管隔熱罩材料提高其隔熱效果這幾個(gè)措施，改善壓縮機(jī)附近的空氣對(duì)流換熱情況，降低預(yù)催對(duì)壓縮機(jī)的熱輻射，最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，壓縮機(jī)表面最高溫度降低約50℃。

1 方法

1.1 理論公式

流體運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。同時(shí)這三大定律對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)的詳細(xì)描述形成了流體力學(xué)的基本方程組[2]。本文采用STARCCM+10.04版本軟件，同時(shí)計(jì)算流場(chǎng)、輻射和固體傳熱。求解流場(chǎng)的NS方程和固體導(dǎo)熱方程是采用有限體積法，計(jì)算輻射是用面到面的熱輻射計(jì)算。

1.2 網(wǎng)格處理

隨著表面網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格和其他體網(wǎng)格的精細(xì)化，計(jì)算結(jié)果一定會(huì)越來(lái)越精確，但同時(shí)帶來(lái)計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)。工程上的反饋周期往往是嚴(yán)格要求的，在有限的計(jì)算資源條件下，只能適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量，犧牲一定的計(jì)算精度以換取時(shí)間得到完全的保證。鑒于工程反饋時(shí)間要求和計(jì)算資源的約束，本文的網(wǎng)格采取如下設(shè)定：邊界棱柱網(wǎng)格厚度5 mm；隔熱罩固體網(wǎng)格大小2 mm；邊界棱柱網(wǎng)格層數(shù)2；汽車(chē)面網(wǎng)格1～16 mm；冷凝器、中冷器、散熱器體網(wǎng)格大小2～4 mm；體網(wǎng)格總數(shù)約3000萬(wàn)。

圖1 機(jī)艙網(wǎng)格模型圖

圖2 整車(chē)計(jì)算模型圖

1.3 試驗(yàn)及仿真的邊界條件

考察發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件熱保護(hù)能力的環(huán)境艙試驗(yàn)的工況為車(chē)速60 km/h，負(fù)載坡度10%，CFD的模擬也為了盡可能地和試驗(yàn)一致，由于難以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)建模模擬在負(fù)載10%坡度時(shí)的排氣系統(tǒng)發(fā)熱量，因而本文將基礎(chǔ)試驗(yàn)中測(cè)得的排氣管表面溫度作為CFD分析中的溫度邊界條件，進(jìn)而在各個(gè)情形條件下模擬空氣流動(dòng)、輻射來(lái)考察處于排氣管周?chē)膲嚎s機(jī)表面的溫度。

空氣密度：1.14 kg/m3，比熱：1003.62 J/kg-K ，熱導(dǎo)率：0.026 W/m-K。本分析中散熱器 、中冷器和冷凝器采用多孔介質(zhì)模型；風(fēng)扇用 moving reference frame 模型，其它固體表面采用絕熱邊界條件，所有隔熱罩采用固體模型 。預(yù)催隔熱罩材料是由鍍鋁鋼板和陶瓷纖維構(gòu)成，兩層0.5 mm的鍍鋁鋼板中間夾一層0.5 mm陶瓷纖維，折算成整體的密度、比熱和熱導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，屬性表二所示。

2 研究的情形

仿真分析了8種情形，分別是基礎(chǔ)車(chē)型、格柵開(kāi)孔、大風(fēng)扇、壓縮機(jī)下移、增加預(yù)催隔熱罩、更改預(yù)催隔熱罩材料、優(yōu)化的預(yù)催隔熱罩外形、優(yōu)化預(yù)催隔熱罩外形并下移壓縮機(jī)。后7種的方案均是相對(duì)于基礎(chǔ)車(chē)型的更改，而不是依次更改的疊加。試驗(yàn)方面，對(duì)基礎(chǔ)車(chē)型和優(yōu)化預(yù)催隔熱罩外形并下移壓縮機(jī)的情形進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

2.1 基礎(chǔ)車(chē)型

圖3顯示壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)和熱源等零部件的相對(duì)位置圖：壓縮機(jī)背風(fēng)面緊挨發(fā)動(dòng)機(jī)，右側(cè)正對(duì)著熱源預(yù)催，正上方是發(fā)電機(jī)，灰色半透明隔熱罩為排氣歧管隔熱罩。

圖3 壓縮機(jī)相對(duì)位置圖

2.2 格柵開(kāi)孔

考慮通過(guò)增加壓縮機(jī)表面的對(duì)流換熱來(lái)降低溫度，希望通過(guò)在情形一正對(duì)壓縮機(jī)的前格柵處開(kāi)口，增加發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷風(fēng)進(jìn)入量，如圖4、5黑框內(nèi)區(qū)域，從而使得更多冷空氣吹到壓縮機(jī)的表面以降低溫度。

圖4 格柵開(kāi)口正視圖

圖5 格柵開(kāi)口背視圖

2.3 改為大風(fēng)扇

考慮情形二中降溫不明顯可能是由于冷風(fēng)不足，考慮在情形一增加風(fēng)扇的尺寸來(lái)增加壓縮機(jī)附近的冷風(fēng)量。原風(fēng)扇的直徑是455 mm，8葉轉(zhuǎn)速是2100 r/min，大風(fēng)扇選擇直徑465 mm，7葉，轉(zhuǎn)速同為2100 r/min。由于供應(yīng)商的產(chǎn)品所限，大風(fēng)扇沒(méi)有8葉的型號(hào)，只有7葉的型號(hào)（圖6、7）。

圖6 原葉風(fēng)扇，8葉

圖7 大風(fēng)扇，7葉

2.4 壓縮機(jī)下移

考慮到輻射的強(qiáng)度和距離的平方成反比，考慮在情形一基礎(chǔ)上將壓縮機(jī)的布置位置遠(yuǎn)離熱源排氣管，將壓縮機(jī)下移50 mm。

2.5 增加預(yù)催隔熱罩

在情形一基礎(chǔ)上新增加的預(yù)催隔熱罩，如圖8是預(yù)催隔熱罩，以及預(yù)催隔熱罩相對(duì)于壓縮機(jī)的位置，預(yù)催隔熱罩遮擋住了預(yù)催對(duì)壓縮機(jī)的輻射，但是沒(méi)有包裹住預(yù)催上端部分對(duì)壓縮機(jī)的輻射，但是預(yù)催上端離壓縮機(jī)距離遠(yuǎn)一些，輻射的結(jié)果需要計(jì)算[4]。

圖8 預(yù)催隔熱罩形狀及與壓縮機(jī)的相對(duì)位置

2.6 更改預(yù)催隔熱罩材料的屬性

隔熱罩為三層結(jié)構(gòu)，前后為鍍鋁鋼板，中間為纖維材料。更新隔熱效果更好的纖維材料，使得隔熱罩的熱導(dǎo)率降低約一半。

2.7 優(yōu)化的預(yù)催隔熱罩形狀

圖9顯示優(yōu)化后隔熱罩的形狀以及位置。和優(yōu)化前預(yù)催隔熱罩相比（圖8），第一優(yōu)化后的隔熱罩相比優(yōu)化前的要高一些，把來(lái)至預(yù)催上端的熱輻射也擋住了；第二優(yōu)化后的預(yù)催隔熱罩包裹住了預(yù)催上端，隔離了從排氣歧管上的來(lái)流，被預(yù)催再次加熱；第三優(yōu)化后的隔熱罩與排氣歧管隔熱罩之間做了很好的搭接（上圖紅色框線(xiàn)內(nèi)的位置），可以防止排氣歧管和預(yù)催加熱后的氣流從此處流向壓縮機(jī)[5]。

圖9 優(yōu)化后預(yù)催隔熱罩形狀

2.8 優(yōu)化預(yù)催隔熱罩同時(shí)下移壓縮機(jī)

實(shí)施優(yōu)化的隔熱罩同時(shí)壓縮機(jī)下移50 mm，即同時(shí)實(shí)施情形七和情形四的方案.

3 結(jié)果及討論

3.1 基礎(chǔ)情型

壓縮機(jī)的最高耐溫值為120℃，而通過(guò)仿真得出的最高溫度為188℃（黑色框線(xiàn)），超出耐溫68℃存在熱害風(fēng)險(xiǎn)；試驗(yàn)結(jié)果顯示，在短時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)溫度上升到150℃，因而終止試驗(yàn)。通過(guò)圖10的第二和第三張圖可以看出，壓縮機(jī)迎風(fēng)面積均小于100℃，而被風(fēng)面上大部分區(qū)域溫度高于100℃（圖中紅色區(qū)域），存在熱害風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)機(jī)艙內(nèi)零部件的熱害問(wèn)題主要包括以下2種情況：一是熱源通過(guò)熱輻射的方式對(duì)熱害部件加熱；另一種方式是熱量通過(guò)流體向熱害部件傳遞。對(duì)于上述壓縮機(jī)熱害問(wèn)題，需要知道導(dǎo)致熱害產(chǎn)生的原因尤為重要，再根據(jù)產(chǎn)生熱害的原因?qū)ふ医鉀Q方案。

從圖10可以看出，壓縮機(jī)被風(fēng)面大部分沒(méi)有受到熱源隔熱罩的保護(hù)，導(dǎo)致預(yù)催散發(fā)出的熱量直接輻射在其表面；而由于與熱源被隔熱罩隔開(kāi)，所以熱源的熱量不能直接輻射到壓縮機(jī)的迎風(fēng)面，所以發(fā)動(dòng)機(jī)表面的熱害風(fēng)險(xiǎn)大部分都出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的被風(fēng)面[5]。

由于距離壓縮機(jī)被風(fēng)面最近的熱源為預(yù)催，且熱源件和熱害件之間并沒(méi)有隔熱罩的保護(hù)措施，圖中顯示出壓縮機(jī)表面最高溫度為188℃，已經(jīng)遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)表面的120℃耐溫限制，因此可以判斷壓縮機(jī)表面熱害問(wèn)題一部分原因是由預(yù)催輻射造成的。

圖11顯示：氣流將排氣歧管的熱量帶到發(fā)動(dòng)機(jī)下側(cè)，同樣能導(dǎo)致壓縮機(jī)表面出現(xiàn)溫度過(guò)高。

圖11 壓縮機(jī)周?chē)骶€(xiàn)分布圖

綜上所述：壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱害問(wèn)題主要是由預(yù)催輻射和流過(guò)排氣歧管氣體的熱傳導(dǎo)造成的。

3.2 前格柵開(kāi)口計(jì)算結(jié)果

前格柵開(kāi)口的仿真結(jié)果顯示，壓縮機(jī)表面仍有大面積超過(guò)120℃的區(qū)域，原因推測(cè)是這個(gè)高溫的區(qū)域處于背風(fēng)側(cè)，冷風(fēng)沒(méi)有直接吹到，背風(fēng)區(qū)域的降溫效果不明顯，最高溫度為186℃，降低了約2℃，沒(méi)有滿(mǎn)足要求。說(shuō)明增多了的格柵進(jìn)風(fēng)并沒(méi)有吹到壓縮機(jī)的背風(fēng)面（圖12）。

圖12 不同標(biāo)尺下壓縮機(jī)表面溫度分布圖

3.3 更改大風(fēng)扇的計(jì)算結(jié)果

大風(fēng)扇壓縮機(jī)表面降溫幅度較大，最高溫度降到了152℃并且壓縮機(jī)表面高于120℃的區(qū)域也有所減小。說(shuō)明大風(fēng)扇增大了風(fēng)扇后部區(qū)域的空氣流動(dòng)，增強(qiáng)了壓縮機(jī)表面的對(duì)流換熱，降低了表面溫度（圖13）。

圖13 不同標(biāo)尺下壓縮機(jī)表面溫度分布圖

3.4 壓縮機(jī)下移50mm計(jì)算結(jié)果

壓縮機(jī)表面最高溫度由188℃降至149℃，降低了約40℃。這是由于增大了與熱源的間距，降低了熱輻射的影響。但是壓縮機(jī)表面高于120℃的區(qū)域沒(méi)有減小，但是位置發(fā)生了變化（圖14）。

圖14 不同標(biāo)尺下壓縮機(jī)表面溫度分布圖

3.5 增加預(yù)催隔熱罩的計(jì)算結(jié)果

壓縮機(jī)的最高溫度為如圖15所示，在預(yù)催增加隔熱罩后，壓縮機(jī)表面最高溫度降低17℃，但是熱害問(wèn)題依舊存在，而且出現(xiàn)熱害問(wèn)題的區(qū)域變大（圖中紅色區(qū)域均為超出耐溫限制的區(qū)域）。

圖15 壓縮機(jī)表面最高溫度分布位置圖

3.6 更改預(yù)催隔熱罩材料屬性

圖16 不同標(biāo)尺下壓縮機(jī)表面溫度

為了降低輻射效果，嘗試通過(guò)改變預(yù)催隔熱罩的材料屬性，增加預(yù)催隔熱罩的隔熱能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最高溫度仍然相對(duì)基礎(chǔ)車(chē)型下降16℃，降到了171℃，和最初的預(yù)催隔熱罩效果基本一樣。說(shuō)明普通預(yù)催隔熱罩的材料就已有效避免了遮擋區(qū)域的熱輻射，壓縮機(jī)的高溫是由于其他部位的熱輻射和熱流的影響（圖16）。

3.7 優(yōu)化預(yù)催隔熱罩

通過(guò)對(duì)預(yù)催隔熱罩的優(yōu)化，壓縮機(jī)最高溫度從基礎(chǔ)模型的188℃，降低到117℃，熱害風(fēng)險(xiǎn)得到了消除。

圖17 壓縮機(jī)溫度分布云圖和周?chē)骶€(xiàn)圖

圖18 壓縮機(jī)溫度分布圖和周?chē)骶€(xiàn)圖

表1 壓縮機(jī)表面仿真分析的最高溫度統(tǒng)計(jì)

從圖17可以看出，優(yōu)化后的隔熱罩一方面將預(yù)催與壓縮機(jī)隔開(kāi)，起到了阻礙輻射的作用；另一方面，隔熱罩本身對(duì)流經(jīng)排氣歧管的熱流起到了降溫的作用，從而使流到壓縮機(jī)表面的氣體溫度明顯降低。

3.8 優(yōu)化預(yù)催隔熱罩同時(shí)下移壓縮機(jī)

為了強(qiáng)化方案的效果在實(shí)施優(yōu)化的預(yù)催隔熱罩同時(shí)下移壓縮機(jī)。仿真結(jié)果的壓縮機(jī)最高溫度降到了116℃（表1）。以本方案進(jìn)行了熱害試驗(yàn)驗(yàn)證，熱害狀態(tài)下壓縮機(jī)表面的溫度為108℃，滿(mǎn)足耐溫要求（圖18）。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)熱害問(wèn)題分析得出：對(duì)于耐溫較低的熱敏感部件，在總布置前期，首先要考慮遠(yuǎn)離高溫區(qū)域布置，至少要遠(yuǎn)離排氣系統(tǒng)。其次需要確定每個(gè)熱敏感零部件與熱源的最佳安全輻射距離，然后根據(jù)輻射安全間距開(kāi)展機(jī)艙的布置。

在機(jī)艙熱害問(wèn)題解決過(guò)程中，如果想要通過(guò)增加隔熱罩來(lái)解決熱害問(wèn)題，那么就應(yīng)該詳細(xì)的分析，新增加的隔熱罩會(huì)不會(huì)引起其周?chē)鲌?chǎng)的變化，周?chē)鲌?chǎng)的變化會(huì)不會(huì)導(dǎo)致其它零部件的熱害問(wèn)題。原則是：增加隔熱罩解決熱害問(wèn)題時(shí)，既要起到隔熱的效果，又不引起其它的熱害[5]。

本文針對(duì)某車(chē)熱害試驗(yàn)中出現(xiàn)的壓縮機(jī)溫度超過(guò)溫度限值120℃。針對(duì)這個(gè)壓縮機(jī)熱害問(wèn)題進(jìn)行了CFD仿真分析。仿真最高溫度為188℃。針對(duì)此結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析，較為有效的優(yōu)化方案是增加預(yù)催隔熱罩，壓縮機(jī)表面最高溫度降低了15℃；通過(guò)下移壓縮機(jī)能夠降低約40℃；通過(guò)加大和優(yōu)化預(yù)催隔熱罩的形狀，使預(yù)催上端對(duì)周?chē)悴考妮椛浣档土?，同時(shí)弱化了預(yù)催上端對(duì)周邊空氣的加熱，從而能使壓縮機(jī)表面溫度降低了約70℃，降到了117℃，滿(mǎn)足耐溫限值。 最終，為了強(qiáng)化降溫效果，在同時(shí)實(shí)施優(yōu)化的預(yù)催隔熱罩和下移壓縮機(jī)，仿真結(jié)果為116℃，并且在熱平衡驗(yàn)證試驗(yàn)中壓縮機(jī)最高溫度為108℃，滿(mǎn)足120℃限值要求。通過(guò)仿真分析手段解決了現(xiàn)在車(chē)型的熱害問(wèn)題，對(duì)后續(xù)同平臺(tái)車(chē)型壓縮機(jī)熱害問(wèn)題和熱源附件其它熱害問(wèn)題的規(guī)避有重要的指導(dǎo)意義[5]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉春暉,汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)原理與檢修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.5.

[2]王洪偉,我所理解的流體力學(xué)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2014.12.

[3]施鵬飛,李飛,基于一、三維耦合的車(chē)輛熱管理研究與優(yōu)化[M],CD-Adapco2017用戶(hù)大會(huì)論文集.

[4]楊世銘,陶文銓,傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[5]郭祥麟,王樹(shù)蘋(píng),汽車(chē)壓縮機(jī)熱害問(wèn)題的CFD仿真及優(yōu)化[M],2017汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.