熱管理研究綜述

王章，高蒙蒙，朱增懷，劉建祥

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熱管理研究綜述

王章，高蒙蒙，朱增懷，劉建祥

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章介紹了熱管理研究體系涵蓋冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)等，企業(yè)的熱管理發(fā)展應從系統(tǒng)集成角度進行統(tǒng)籌管理，展開節(jié)能、動力性提升的研究。概述了計算機仿真研究和試驗技術。闡述了熱管理體系、試驗標準逐漸確立對企業(yè)提升熱管理能力的重要性。

熱管理仿真；熱管理試驗；流動可視化；熱成像技術

前言

汽車的熱管理影響了車輛的諸多性能，包括發(fā)動機性能、燃料經(jīng)濟性、安全與可靠性、空氣動力性、駕駛員和乘客舒適性、材料選擇、排放、維護以及部件壽命等。隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展以及車輛燃料經(jīng)濟性、排放及駕駛舒適性等相關標準的提高，人們對熱管理技術的發(fā)展提出了更高的要求，整車熱管理的研究和應用技術開發(fā)也被各大車企列為主要研究項目之一。

1 熱管理研究體系

1.1 發(fā)動機機艙熱管理

發(fā)動機熱管理是從系統(tǒng)整體角度集成控制發(fā)動機的燃燒、增壓及進排氣、冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機艙等的傳熱，提高循環(huán)效率，降低熱負荷，研究發(fā)動機部件高低溫極限、溫度分布或者艙內(nèi)風速的走向和大?。ㄒ妶D1）。應用發(fā)動機熱管理技術，可以保證關鍵部件和系統(tǒng)安全、高效運行，控制和優(yōu)化熱量傳遞過程，減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗，合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染[1]。

1.2 乘員艙熱管理

乘員艙熱舒適性是一個綜合性瞬態(tài)分析項目，不僅受到車輛本身的各種因素（空調(diào)和出風口設計、動機的生熱、車體材料、漆膜、內(nèi)飾材料、玻璃窗材料透射等）影響，還受到車輛外部環(huán)境（地面環(huán)境、天氣狀況等））及乘員的生理條件等諸多因素的影響。目前通常方法是通過流體計算仿真乘員艙內(nèi)的空氣溫度，以此評價舒適性（見圖2）。瞬態(tài)分析的計算周期十分漫長，且無法真實地模擬各種影響因素，簡單地通過艙內(nèi)氣體溫度來評價是否舒適顯得不夠精準。因此，開發(fā)可視化的乘員艙升溫降溫研究，進行區(qū)域性的溫度變化測試，有助于更精準的控制艙內(nèi)溫度并提升產(chǎn)品性能。

圖1 優(yōu)化前后機艙CFD速度矢量圖[2]

圖2 乘客艙流體計算域及體網(wǎng)格剖面[3]

1.3 底盤熱管理

底盤熱管理主要對象為發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，消聲器、三元催化器等部件的溫度非常高，需要保證排氣系統(tǒng)與相鄰部件之間的間隙合適，還要分析隔熱裝置對排氣系統(tǒng)熱輻效果的影響，以便在適當?shù)奈恢锰砑痈魺嵫b置。（見圖3）。

圖3 車身底板試驗溫度與CFD仿真溫度對比[4]

1.4 制動系統(tǒng)熱管理

汽車制動過程中是依靠剎車盤和剎車片之間的摩擦阻力進行剎車。由于摩擦生熱，剎車系統(tǒng)溫度會升高，當剎車盤和剎車片溫度高于特定數(shù)值后，摩擦片之間的摩擦系數(shù)將迅速下降，剎車系統(tǒng)性能衰減，甚至會剎車失效的情況。溫度升高也可能使剎車盤產(chǎn)生熱裂紋，導致剎車系統(tǒng)的損壞。因此必須要在車輛設計階段對剎車系統(tǒng)進行研究，并對剎車系統(tǒng)性能進行預測，為剎車系統(tǒng)的設計和選型提供參考依據(jù)。

1.5 系統(tǒng)部件設計與安裝布置

明確系統(tǒng)部件和介質(zhì)的傳熱機理，通過流體仿真軟件探明整個系統(tǒng)的熱流分布，對部件的結構和安裝方式進行優(yōu)化，使系統(tǒng)熱量合理分布，降低廢熱排放。如緊湊型冷卻系統(tǒng)的研究，換熱器系統(tǒng)集成化的研究等。

2 熱管理仿真研究

數(shù)值仿真計算已經(jīng)成為熱管理重要的研究分析工作，隨著計算流體力學和傳熱學的快速發(fā)展及應用，計算的項目逐漸增多，計算的速度和精度逐步提高，仿真計算的工作內(nèi)容也會復雜化和多元化。整車的熱測試不僅要考慮車輛的行駛工況，還要考慮外圍環(huán)境因素的影響，有些影響因素很難通過仿真手段實現(xiàn)，比如日照條件等。如果能通過仿真手段模擬各種測試條件，不僅可以保證試驗條件具有很好的重復性，而且可以通過仿真計算發(fā)現(xiàn)潛在的熱問題從而降低實車試驗成本、縮短研發(fā)周期。

2.1 一維仿真研究

汽車領域一維流體仿真軟件有Flowmaster、KULI、GT、AVL等，前兩者在主機廠和零部件廠中占有率較高。

在產(chǎn)品前期開發(fā)階段，F(xiàn)lowmaster可用于模擬冷卻、空調(diào)、燃油噴射、潤滑、進排氣等系統(tǒng)的流動、傳熱活動，可進行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)求解并對壓力、溫度、流量、傳熱量等參數(shù)進行預測和分析，且具有耗時短的特點。在軟件中搭建好模型后，輸入各零部件的性能是極其重要的一環(huán)，性能來自測試和3D計算得到，測試結果的準確性直接影響1D結果。開展3D分析時，還可使用軟件數(shù)據(jù)接口進行1D、3D聯(lián)合仿真，3D軟件可計算發(fā)動機水套或其它冷卻系統(tǒng)零部件的水阻、發(fā)動機艙或其它位置的進風量、冷卻系統(tǒng)管道和發(fā)動機表面與鄰近空氣的對流換熱[5]等，可用來在一維冷卻系統(tǒng)中作為輸入進行計算，而一維分析結果同樣可以作為3D模型的數(shù)據(jù)輸入，二者經(jīng)過多輪迭代計算，可使分析結果更加接近實物表現(xiàn)。文獻[6]利用一維軟件對某發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行1D分析，通過試驗數(shù)據(jù)校驗原模型的分析結果，然后進行優(yōu)化，并運用發(fā)動機水套的3D仿真結果輸入1D進行分析的方法。

2.2 三維仿真研究

車輛熱管理是一個復雜的流動與傳熱耦合系統(tǒng)，早期的仿真研究多采用積分迭代或一維流動假定，隨著計算機性能和流體仿真計算方法及相關學科的發(fā)展，三維流動和傳熱數(shù)值模擬方法得到大量的應用。三維仿真軟件在今天國內(nèi)的車企中占有著重要的地位，國內(nèi)車企還不能完成車輛在風洞中的各項性能的測試，所以CFD仿真模擬成為車輛內(nèi)外流場數(shù)據(jù)的重要來源。三維流體仿真軟件較多，如STAR-CCM+、Fluent、FloEFD、OPENFOAM、ANSYS等。文獻[7]采用CFD方法數(shù)值模擬小型汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對全車阻力的影響特性，預測結果表明冷卻系統(tǒng)阻力占汽車總阻的6.9%，與試驗值吻合。

3 熱管理試驗研究

3.1 整車熱管理測試研究

汽車熱管理試驗研究按照系統(tǒng)分級可分為整車級、系統(tǒng)級、零部件子級。[8]整車試驗要求建立公司級不同種類汽車的規(guī)范和標準，結果反映設計目標的達成、相較與競品車的表現(xiàn)；系統(tǒng)級和零部件建立公司級規(guī)范和標準，根據(jù)市場、技術的變化進行適度修訂或變更，結果反映零部件組合后功能性的實現(xiàn)，零部件子級試驗對測試結果的精確度要求高。

按照試驗種類分級可分為車輛熱平衡試驗、車輛熱害試驗、空調(diào)高溫環(huán)境模擬試驗、空調(diào)低溫采暖試驗、車輛除濕除霧試驗。熱平衡試驗根據(jù)試驗環(huán)境的不同分為道路試驗、風洞試驗、轉轂試驗等，道路試驗可參照國家標準“GB/T 12542-2009汽車熱平衡能力道路試驗方法”，風洞試驗、轉轂試驗由企業(yè)或機構根據(jù)自身要求制定規(guī)范和標準。

3.2 新測試技術應用

3.2.1流動可視化

汽車外部流動繞流特性決定了汽車的空氣動力特性，發(fā)動機艙內(nèi)部氣流流動特性決定了機艙內(nèi)流阻力和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能，駕駛室和車廂內(nèi)部通風及空調(diào)特性決定乘員艙環(huán)境的舒適性。[9]從以上三個方面看出，汽車空氣動力學性能對整車綜合性能影響十分巨大，已成為評價整車性能的重要指標之一。汽車行業(yè)的流動多借助CFD軟件計算，但仿真的結果不直觀且不夠精準，而流動可視化可有效避免這些問題，國內(nèi)的車企正在逐步推進此項技術的應用（見圖4）。

圖4 空氣流動可視化[10]

3.2.2熱成像技術

圖5 前排副駕側窗溫度對比[3]

紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。熱圖像上的不同顏色代表被測物體的不同溫度（見圖5）。紅外熱成像儀在汽車行業(yè)的應用有很多，如發(fā)動機結構中細微的缺陷診斷、檢測剎車盤制動溫度、通過空調(diào)開啟下的熱圖檢測乘員艙氣密性、通過后擋加熱的影像分析診斷加熱絲的分布狀態(tài)等。

4 結論

汽車熱管理研究體系的主要研究內(nèi)容包括熱管理對象熱特性研究、熱管理系統(tǒng)集成以及熱能綜合利用等。包括對所有車載熱源系統(tǒng)進行綜合管理與優(yōu)化，其中車載熱源系統(tǒng)包括發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)和發(fā)動機機艙空氣流動系統(tǒng)以及駕駛室的空調(diào)暖風系統(tǒng)等。[8]

由于仿真技術會受到輸入邊界、環(huán)境條件無法模擬、建模能力等限制，所以一些新的技術被提出，如流動可視化、熱成像技術可視化等，可幫助分析復雜的空氣或傳熱問題。試驗標準直接影響試驗結果，而標準的效果最終來自客戶對產(chǎn)品的綜合評價，企業(yè)級的標準建立是一項艱巨的工作，需要投入巨大的人力、物力去解決，統(tǒng)一各方的意見需要對技術、市場反饋有深刻的理解。

熱管理研究體系的建立應當由實體部門去完成，部門人員在冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)等某方面具有深入研究，部門核心目標應是推動諸多標準的建立、促進各系統(tǒng)熱管理人員的合作，最終實現(xiàn)產(chǎn)品競爭力的提升。

[1] 齊斌等.發(fā)動機熱管理系統(tǒng)試驗和仿真研究[J].車用發(fā)動機,2008, 8,4(177) :40-43.

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[3] 劉楊等.SUV 車型乘客艙溫度場仿真研究[C].2017汽車空氣動力學分會學術年會論文集,2017,9.

[4] 李靖等.考慮熱輻射的整車零部件溫度耦合仿真[C].2017汽車空氣動力學分會學術年會論文集,2017,9.

[5] 張寶亮,范秦寅,胡廣洪等.整車熱管理的一維與三維耦合仿真[J]. 汽車工程,2011,33(6):493-496.

[6] 劉峰,魏丕勇,陸子平等.利用FLOWMASTER改進增壓汽油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的分析研究[J].科技視界,65-68.

[7] A. Rustem Aslan等.冷卻系統(tǒng)阻力對汽車總阻力影響的數(shù)值預測模型研究[J].空氣動力學學報,2016,4,34（2）:232-238.

[8] 鄧義斌,黃榮華.車輛熱管理系統(tǒng)及其研究[J].技術應用,2011,1:52- 56.

[9] 胡凱耀.客車發(fā)動機艙熱管理研究及結構改進[D].湖南大學,碩士論文,2012.

Descriptions Of Thermal Management Resarch

Wang Zhang, Gao Mengmeng, Zhu Zenghuai, Liu Jianxiang

（JAC Automobile Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601）

The paper shows thermal management research system consists of coolant recycle,air intake and exhaust system etc. Company’s development of thermal management should control all of thing about thermal with the view of integrated system, and do more research about energy conservation and performance improvement strategies. And the paper expounds computer simulation research and test technology. At last the paper summarizes importance that can contribute to thermal management with the construction of thermal management system and test procedure to company.

Thermal Management Simulation; Thermal Management Test; Flow Visualization; Infrared Thermal Imaging Technology

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

王章(1994.08-)，男，就職于江淮汽車集團股份有限公司技術中心新技術研究院，從事熱管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.074