汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的研究與優(yōu)化

任正芳

摘 要：基于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，根據(jù)汽車在不同行駛工況下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)特性、散熱性能、溫度場(chǎng)、進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)進(jìn)行分析;依據(jù)仿真分析結(jié)果提出發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱改進(jìn)設(shè)計(jì)方案;在相同試驗(yàn)條件下，分別對(duì)某微車原車狀態(tài)和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前艙布局進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)后的狀態(tài)，進(jìn)行室內(nèi)整車環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙;冷卻模塊;散熱性能

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1計(jì)算模型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件排布緊密，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了能夠得到比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，仿真所用模型為比例為1∶1的全尺寸三維汽車模型，且模型盡量保留發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的所有關(guān)鍵部件，車身、底盤等部件也盡量保持真實(shí)的結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，適當(dāng)省去電子線束、空調(diào)管路等對(duì)流動(dòng)影響較小的細(xì)小部件。

1.2網(wǎng)格與邊界條件

由于空氣在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)受到外流場(chǎng)的影響，因此仿真采用適用于外流場(chǎng)的計(jì)算域，計(jì)算域尺寸為10倍車長(zhǎng)×5倍車寬×3倍車高。模型在Hy-permesh中劃分面網(wǎng)格后導(dǎo)入T-Grid中，計(jì)算域內(nèi)全部生成四面體非結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為480萬個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量skewness在0.96以下。

采用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值仿真，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型選擇可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型。計(jì)算域入口采用速度入口;計(jì)算域出口采用壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;空氣為理想氣體;風(fēng)扇采用多參考坐標(biāo)系（MRF）模型;冷凝器設(shè)為多孔介質(zhì);散熱器也設(shè)為多孔介質(zhì)，采用傳熱單元數(shù)法（NTU 方法）進(jìn)行計(jì)算;環(huán)境溫度為40?C。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性模擬分析

汽車的外流場(chǎng)特性除了決定整車的空氣動(dòng)力學(xué)性能外，還可根據(jù)外流場(chǎng)氣流特性選擇好的發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口;發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)流場(chǎng)特性通過影響冷卻風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量來決定發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱和內(nèi)流阻力;發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度場(chǎng)分布特性可以清晰全面地顯示發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間溫度分布特性。因此，通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析結(jié)果的研究，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱特性進(jìn)行研究，進(jìn)而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)艙的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)以及綜合散熱性是否可行，找到發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱存在的問題和影響因素。

①汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)特性分析汽車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流的入口為車身前端的進(jìn)氣格柵，在冷卻風(fēng)扇的作用下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，然后氣流流向散熱器、冷凝器，經(jīng)風(fēng)扇加速，吹向發(fā)動(dòng)機(jī)的表面。氣流對(duì)散熱器進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，連同氣流與發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)流換熱，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的目的。②發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)分析各計(jì)算工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度場(chǎng)分布特性，可知各計(jì)算工況下的最高溫度都小于發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)允許的最高溫度99℃，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的綜合散熱性能是可行的。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)艙和散熱器的進(jìn)風(fēng)量，并與發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱理論所需的空氣量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙中散熱器的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量略小于散熱理論所需的空氣量;由于冷凝器和散熱器的不完全通風(fēng)性以及前艙結(jié)構(gòu)和布置等因素的影響，在各工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量只有約35%～60%到達(dá)散熱器，可以適當(dāng)改進(jìn)，加大冷卻系的進(jìn)風(fēng)量，提高冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱能力。

3.1前端進(jìn)風(fēng)口參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)氣流的影響

汽車在行駛過程中，冷卻氣流是通過汽車前部的上下進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。汽車前端進(jìn)風(fēng)口參數(shù)設(shè)計(jì)需考慮兩個(gè)主要因素：①前端進(jìn)風(fēng)口的開口面積、結(jié)構(gòu)形式是否滿足冷卻需求，包括空調(diào)系統(tǒng)的冷卻、冷卻系統(tǒng)的冷卻等;②在保持車身外部形狀不變的前提下，設(shè)計(jì)良好的進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)減少冷卻氣流通過進(jìn)風(fēng)口的壓降損失。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被直接看透，設(shè)計(jì)師通常會(huì)在進(jìn)氣格柵后加入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于存在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，會(huì)使得空氣通過的面積減少40%。目前，該微車車型的進(jìn)氣格柵采用加入短導(dǎo)流葉片和底部切角的形式。

3.2上下進(jìn)氣格柵進(jìn)風(fēng)量比例的改進(jìn)

汽車在行駛過程中，冷卻氣流是通過汽車前部的上下進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的。通過分析計(jì)算不同車速情況下的上下進(jìn)氣格柵和各冷卻部件的進(jìn)風(fēng)量，對(duì)上下進(jìn)氣格柵的進(jìn)風(fēng)量比例進(jìn)行了研究。低速段時(shí)（12.5m/s），風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻風(fēng)的流量影響比較大，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由0r/min變?yōu)?300r/min時(shí)，總進(jìn)風(fēng)量增加5.19%，冷凝器冷卻風(fēng)流量增加23.14%，散熱器冷卻風(fēng)流量增加27.04%;高速段時(shí)（32.5m/s），風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻風(fēng)流量影響比較小，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由0r/min變?yōu)?300r/min時(shí)，總進(jìn)風(fēng)量增加1.31%，冷凝器冷卻風(fēng)流量增加6.60%，散熱器冷卻風(fēng)流量增加7.94%。另外，大部分冷卻風(fēng)氣流通過下進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙;車速對(duì)上下進(jìn)氣格柵風(fēng)量比例影響不大，而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)上下進(jìn)氣格柵風(fēng)量影響較大，在同一車速下，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由0r/min變?yōu)?300r/min時(shí)，上進(jìn)氣格柵進(jìn)風(fēng)量比例增加，而下進(jìn)氣格柵進(jìn)風(fēng)量比例減少。因此，在風(fēng)扇未開啟的情況下，可采取增加下進(jìn)氣格柵開口面積的方式，保證盡可能大的進(jìn)風(fēng)面積，來增加冷卻風(fēng)的進(jìn)氣量;另一方面，在風(fēng)扇開啟的情況下，如果想增加進(jìn)氣量，最有效的方法是增加上進(jìn)氣格柵的進(jìn)風(fēng)面積。

4 結(jié)論

①采用空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，對(duì)某微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)外流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算;②研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)特性、散熱特性等，確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱存在的問題并分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的影響因素;③針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱存在的問題進(jìn)行改進(jìn)研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出可行性的優(yōu)化方案以達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的目的。

結(jié)語

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)和熱環(huán)境情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在的熱回流問題進(jìn)行量化分析和優(yōu)化，得出在冷卻模塊周圍加擋風(fēng)板，可有效阻止熱空氣回流，提高冷卻模塊的散熱性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]張坤，王玉璋，楊小玉.應(yīng)用CFD方法改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能.汽車工程，2011，33（4）：214～217.

[2]何煒，馬靜，王東，等.多參考坐標(biāo)系法和滑移網(wǎng)格法在汽車前端進(jìn)氣數(shù)值模擬中的比較.計(jì)算機(jī)輔助工程，2007，16（3），96～100.

[3]易吉云.汽車前端冷卻模塊形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻性能影響研究：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.