基于CFD的某商用車發(fā)動機艙的改進設(shè)計

王露陽, 王良模, 鄒小俊, 謝桃新, 張湯赟

(1. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 南京依維柯汽車有限公司, 江蘇 南京 210028)

汽車發(fā)動機艙內(nèi)布置有進排氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、復(fù)雜的管路線束和發(fā)動機等高溫?zé)嵩?艙內(nèi)復(fù)雜的元件布置導(dǎo)致了發(fā)動機艙散熱困難.發(fā)動機艙內(nèi)溫度過高會加劇發(fā)動機的磨損,嚴(yán)重時還會引起自燃.近年來,隨著人們對汽車動力性、舒適性以及安全性的要求越來越高,汽車發(fā)動機艙內(nèi)的元件布置也越來越緊湊[1],這給發(fā)動機艙的散熱帶來了更大的挑戰(zhàn),因此發(fā)動機艙的散熱問題在新車型開發(fā)過程中越來越被關(guān)注.

文獻(xiàn)[2]通過試驗方法測量了不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下發(fā)動機艙內(nèi)各個冷卻部件的對流換熱情況和輻射的通量,研究了發(fā)動機艙的散熱情況.文獻(xiàn)[3]運用CFD方法通過耦合發(fā)動機冷卻回路和空調(diào)回路研究了發(fā)動機艙整體傳熱過程和散熱情況.國內(nèi)的研究者主要通過內(nèi)外流耦合的方法得到發(fā)動機艙內(nèi)的流場與溫度場分布.文獻(xiàn)[4-5]分別對忽略輻射與考慮輻射2種情況進行了分析對比. 文獻(xiàn)[6]通過三維與一維聯(lián)合仿真的方法對后置式發(fā)動機艙散熱問題進行了研究.

筆者針對某商用車的原型車在怠速工況下暴露出的發(fā)動機艙溫度偏高的問題,運用STAR-CCM+軟件進行三維仿真,得到怠速工況下的流場與溫度場分布情況,分析發(fā)動機艙內(nèi)是否存在熱回流、滯留現(xiàn)象以及高溫?zé)釗p害區(qū)域,找出產(chǎn)生熱回流和高溫區(qū)域的原因.根據(jù)具體原因提出改進方案,為樣車的發(fā)動機艙布置提供參考依據(jù).

1 模型建立與數(shù)值計算

1.1 換熱器模型

散熱器、冷凝器、中冷器的內(nèi)部都是復(fù)雜細(xì)密的翅片結(jié)構(gòu),要真實地捕捉其內(nèi)部流動需要很小的網(wǎng)格尺寸,這將大大降低計算效率,也不符合工程應(yīng)用的實際情況.熱交換器在計算時只是用來模擬空氣流過內(nèi)部被加熱的過程,而對于冷凝器和散熱器則忽略內(nèi)部冷卻液流動及溫度下降對流場和溫度場的影響,只考慮單一流體(空氣)對流場與溫度場的影響.3種換熱器本身的結(jié)構(gòu)特性決定了冷卻空氣流過內(nèi)部時會有一定的速度衰減和壓力損失,從它們對速度場的影響的角度簡化為具有一定阻尼和厚度的多孔介質(zhì)薄膜;從它對溫度場影響的角度將熱交換器簡單地看作是單一流體換熱器,賦予一定的散熱量.

多孔介質(zhì)模型的壓降損失遵循Darcy定律[7]:

(1)

式中:Δp為壓降;ΔL為多孔介質(zhì)薄膜厚度;δi慣性阻尼系數(shù);δj為黏性阻尼系數(shù);va為空氣流速.

由散熱器、冷凝器、中冷器氣側(cè)的臺架試驗數(shù)據(jù),通過多項式擬合得到三者在流動方向上的δi和δj這2個系數(shù)來表征空氣通過多孔介質(zhì)模型的壓力損失與阻尼作用.冷卻模塊氣側(cè)的流速與壓降的關(guān)系如圖1所示.

圖1 冷卻部件迎面流速與壓降的關(guān)系

1.2 風(fēng)扇模型

計算流體力學(xué)中模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的方法主要有3種,即旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系法(moving reference frame,MRF)、滑移網(wǎng)格法(rigid body)和風(fēng)扇動量源法(fan momentum source).文中采用MRF法來模擬冷卻風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),MRF法的核心思想是將旋轉(zhuǎn)區(qū)域單獨分割開來設(shè)定局部坐標(biāo)系,計算時網(wǎng)格并非真實運動而是通過旋轉(zhuǎn)局部坐標(biāo)系產(chǎn)生離心力和哥氏作用力從而達(dá)到風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的效果.在MRF模型中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與絕對坐標(biāo)系之間的速度關(guān)系[5]為

v=vr+ω×s,

(2)

式中:v為絕對速度矢量;vr為相對速度矢量;ω為旋轉(zhuǎn)角速度矢量;s為相對矢量位置.

在保證工程計算精度的條件下,MRF法與其他2種方法相比具有簡單、高效的優(yōu)勢.不同工況下只需設(shè)定參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度和方向就可以模擬風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)效應(yīng).

1.3 網(wǎng)格劃分

研究的重點是發(fā)動機艙內(nèi)的空氣流動與溫度分布情況,因此,取車頭部分為計算模型.機艙內(nèi)的零件布置非常復(fù)雜,須對艙內(nèi)部件做適當(dāng)簡化[8],忽略直徑較小的管線,去除不重要的特征.簡化后的機艙模型包括發(fā)動機及其附件、變速器、冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇、蓄電池、進氣系統(tǒng)、進氣格柵、保險杠和輪胎等.

由于采用了發(fā)動機艙內(nèi)外流耦合計算的方法,為真實地模擬汽車在實際道路上行駛時機艙內(nèi)的流動情況,需要添加外部計算域來模擬實際的外部環(huán)境.計算域采用規(guī)則的長方體,車前取4倍車長,車后取8倍車長,寬取5倍車寬,高取4倍車高.考慮到計算機的計算能力,同時為了提高計算效率、節(jié)省計算時間,對流動的重點區(qū)域,如進氣格柵、冷卻模塊等部位進行局部加密,近壁面區(qū)域采用細(xì)密的網(wǎng)格以適用壁面函數(shù)來描述近壁面的流動情況,故在近壁面生成3層共3 mm的邊界層網(wǎng)格,對其他區(qū)域則采用較大的網(wǎng)格尺寸.在空間區(qū)域生成trimmed六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,體網(wǎng)格數(shù)量約1 100萬個,發(fā)動機艙部分體網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 發(fā)動機艙部分體網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定關(guān)系到整個流場能否收斂,是CFD分析中十分重要的一部分.發(fā)動機艙內(nèi)的熱流場主要由空氣流動以及與發(fā)動機艙內(nèi)的熱源進行對流換熱產(chǎn)生,因此計算中主要運用了流動邊界和熱邊界2種邊界條件,這2種邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值.

1.4.1 流動邊界條件

計算中主要采用速度入口、壓力出口和壁面3種流動邊界條件,分別用于定義計算域的入口、出口和速度為0的邊界[9].計算域的速度進口描述發(fā)動機前端來流方向上的空氣流動,流動的速度設(shè)定為每個工況下對應(yīng)的車速.由于流量守恒,因此將計算域的出口設(shè)置為壓力出口,其值為相對于大氣壓的靜壓值.地面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件,以模擬氣流與地面的摩擦作用,其他車身表面采用壁面邊界條件.

1.4.2 熱邊界條件

發(fā)動機艙內(nèi)熱環(huán)境相對復(fù)雜,主要采用體積熱源、溫度壁面和熱對流3種換熱邊界.計算中將前端冷卻模塊的3種換熱器簡化為具有一定阻尼的體積熱源,賦予其一定的散熱量.另外,發(fā)動機在工作時燃料燃燒產(chǎn)生大量的熱量是形成機艙內(nèi)熱環(huán)境的另一重要原因,這些熱源的溫度輻射也必須重點考慮.發(fā)動機、變速器等發(fā)熱體采用溫度壁面的邊界條件,試驗中實際測得的發(fā)動機及變速器不同區(qū)域的溫度值作為邊界輸入.

1.5 數(shù)值計算

該車的日常行駛車速都在100 km·h-1以下,空氣流進發(fā)動機艙后經(jīng)過各部件的阻礙作用,其流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲音的傳播速度,空氣在流動過程中密度幾乎不變,所以在計算時可以把空氣當(dāng)作不可壓縮流體處理[10].由于機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部件眾多,空氣在流動中容易形成大量的渦流,根據(jù)工程經(jīng)驗選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程湍流模型,流場計算采用分離式的壓力修正法進行迭代計算.另外,發(fā)動機、渦輪增壓器等發(fā)熱部件的熱輻射也是形成機艙熱環(huán)境的重要原因,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的結(jié)論,忽略輻射作用會過高預(yù)測前端熱空氣的溫度,所以在進行溫度場計算時考慮這些高溫?zé)嵩吹妮椛渥饔?

2 怠速工況下發(fā)動機艙的分析

在怠速工況下,外界的空氣流速接近于0,周圍的環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃,因此該工況條件下發(fā)動機艙內(nèi)的空氣流動主要由散熱器后方的曲軸風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸作用而引發(fā),機艙內(nèi)大部分區(qū)域的流場速度較低,此時應(yīng)重點分析該工況下是否存在熱滯留和熱回流現(xiàn)象.為了更加直觀分析發(fā)動機艙內(nèi)速度場和溫度場分布情況,選取汽車縱向?qū)ΨQ截面y=0 m和分別經(jīng)過冷卻模塊、動力總成中部的z=0.3 m這2個截面進行分析.

怠速工況時,y=0 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖如圖3所示，外界冷卻空氣在風(fēng)扇的抽吸作用下主要經(jīng)過前端中部的2個進氣格柵進入機艙內(nèi),上部分氣流經(jīng)中冷器、散熱器整流后再經(jīng)過冷卻風(fēng)扇的加速作用將加熱后的熱空氣吹向發(fā)動機上半部分,在風(fēng)扇與發(fā)動機之間的區(qū)域形成了較強的渦流,造成了該區(qū)域熱量集中的現(xiàn)象,溫度相比其他區(qū)域也高一點;由于從風(fēng)扇出口吹出去的氣流主要沿著發(fā)動機前側(cè)壁面向下運動,而流向發(fā)動機頂部的氣流量較小,造成發(fā)動機頂端與發(fā)動機蓋下方區(qū)域的空氣在此處滯留,發(fā)動機的高溫輻射對滯留的氣流持續(xù)加熱,因而這部分區(qū)域溫度也較高.

圖3 怠速工況時,y=0 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖

中下部分的氣流則經(jīng)過冷凝器、散熱器冷卻風(fēng)扇,將熱空氣吹向發(fā)動機缸體部分,該部分熱氣流在經(jīng)過發(fā)動機缸體壁面的撞擊后沿著壁面向下流動,熱氣流比較密集,表現(xiàn)為局部的熱量堆積.此外,在散熱器出風(fēng)口與風(fēng)扇護風(fēng)罩下部區(qū)域之間也存在渦流現(xiàn)象,造成了冷凝器下端出現(xiàn)了高溫?zé)岷?最高溫度達(dá)到了120 ℃左右,嚴(yán)重影響了冷凝器的散熱性能,這與原型車在怠速工況下暴露出來的問題相符合.熱空氣的回流加上散熱器的熱輻射是造成冷凝器下端高溫出現(xiàn)的主要原因.風(fēng)扇中間區(qū)域由于該部分氣流流速明顯高于周圍氣流的流速,這部分氣流帶走了大部分前端冷卻模塊散發(fā)的熱量,相應(yīng)地,該部分的溫度也高一些.

從圖3b可以看出,y=0 m對稱截面的溫度分布云圖顯示前保險杠內(nèi)的溫度明顯高于其周圍環(huán)境溫度,說明在前保險杠內(nèi)這塊區(qū)域出現(xiàn)了熱量聚集的現(xiàn)象.

怠速工況時,z=0.3 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖如圖4所示.從圖4a可以看出:冷卻空氣經(jīng)過風(fēng)扇之后向發(fā)動機左右兩側(cè)的擴散呈不對稱分布,發(fā)動機右側(cè)的氣流速度高于左側(cè)區(qū)域的氣流速度,因此左側(cè)區(qū)域的溫度也低于右側(cè)區(qū)域的溫度;經(jīng)過風(fēng)扇加速后的熱氣流被吹向發(fā)動機前側(cè)壁面,部分氣流受到發(fā)動機壁面撞擊后又回流到前端冷卻模塊的左側(cè)造成了二次加熱,因此冷卻模塊左側(cè)區(qū)域的溫度要明顯高于右側(cè)區(qū)域,并在冷凝器的左端形成了高溫?zé)岷?

圖4 怠速工況時,z=0.3 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖

3 改進方案及方案驗證

3.1 改進方案

怠速工況下發(fā)動機艙冷卻模塊周圍存在嚴(yán)重的渦流、回流以及高溫輻射現(xiàn)象,機艙整體環(huán)境溫度偏高.為改善發(fā)動機前端冷卻模塊的散熱效果,對原型車發(fā)動機艙的結(jié)構(gòu)進行如下改進: ① 在冷凝器和散熱器下端增加導(dǎo)流板,提高下方進風(fēng)面的進氣量同時減少冷凝器下方的熱空氣回流; ② 散熱器左側(cè)增加阻流板,防止被發(fā)動機壁面撞擊的氣流回流到散熱器和冷凝器左側(cè).

按照相同的參數(shù)設(shè)置計算條件,重新計算分析結(jié)構(gòu)改動對冷卻模塊散熱產(chǎn)生的影響.計算結(jié)果表明單獨采用任何一種方法對改善散熱效果比較有限.綜合考慮成本和發(fā)動機艙內(nèi)的空間布局等條件,采取2種方法相結(jié)合的改進方案:在散熱器和冷凝器左右兩側(cè)增加阻流板,同時在冷凝器下部增加導(dǎo)流板.導(dǎo)流板的作用一方面阻擋從冷凝器下端回流到前方的熱空氣,另一方面用來增加冷凝器和散熱器的進氣量,改善其散熱效果.

3.2 改進方案驗證

改進設(shè)計與原設(shè)計方案對比如圖5所示.由于其他工況下機艙整體熱環(huán)境較好,故以下的方案驗證只針對問題較為嚴(yán)重的怠速工況,通過分析改進結(jié)構(gòu)后的艙內(nèi)流場與溫度場的分布來驗證改進方案對怠速工況下機艙散熱性能的影響,得到的速度與溫度分布分別如圖6,7所示.

圖5 方案對比

圖6 改進方案,怠速工況時,y=0 m截面

圖7 改進方案,怠速工況時,z=0.3 m截面

從圖6,7可以看出: 在冷卻模塊下端增加導(dǎo)流板以及側(cè)邊增加阻流板以后,有效阻止了被加熱的空氣再次回流到冷卻模塊的下方和側(cè)邊,消除了冷凝器左端的高溫?zé)岷ΜF(xiàn)象.對比分析圖3,4,6,7的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，冷卻模塊的高溫區(qū)域的面積明顯縮小,溫度下降也比較明顯,說明導(dǎo)流板的作用很明顯.從冷卻模塊的進出氣面的溫度及進氣流量的角度分析可知,增加阻流板與導(dǎo)流板對改善冷凝器和散熱器的散熱特性效果十分明顯.怠速工況下2種方案的散熱特性比較如表1所示,冷凝器的進出氣面溫度分別下降了14.1,16.2 ℃,下降幅度分別為20.9%,17.1%.散熱器的進出氣面溫度則分別下降了12.1,13.0 ℃,下降幅度分別為14.5%,13.8%.改進結(jié)構(gòu)在減少熱空氣回流到冷卻模塊前端的同時增加了外界冷卻空氣進入冷卻模塊的流量.怠速工況下2種方案進氣流量比較如表2所示,與原型車相比,增加阻流板和導(dǎo)流板后冷凝器、中冷器以及散熱器的進氣量分別增加了8.7%,9.1%,10.4%.進氣量增加意味著冷卻空氣可以帶走更多的熱量,所以冷卻模塊的散熱功率也會相應(yīng)增加,可以有效改善冷卻模塊的散熱性能以及機艙整體散熱環(huán)境.

表1 怠速工況下2種方案的散熱特性比較

表2 怠速工況下2種方案進氣流量比較

4 結(jié) 論

怠速工況下機艙內(nèi)的空氣流動主要由風(fēng)扇的抽吸作用而引發(fā),此時熱空氣回流并對冷卻模塊進行循環(huán)加熱是造成該工況下發(fā)動艙溫度偏高的主要原因；在冷卻模塊側(cè)邊增加阻流板可以有效阻斷熱空氣從發(fā)動機壁面回流到冷卻模塊左端,避免了熱空氣對其循環(huán)加熱,從而解決了發(fā)動機艙溫度偏高的問題；冷卻模塊下端的導(dǎo)流板一方面起到了阻斷從保險杠下部回流到冷凝器前端的熱空氣,另一方面起到了增加冷凝器與散熱器進氣量的作用,改善了兩者的散熱性能.