基于CFD商用車熱保護仿真與驗證

張 成陸增俊韋尚軍

(1.廣西壯族自治區(qū)汽車內(nèi)燃機質(zhì)量檢驗站，廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545005)

引言

商用車的內(nèi)部空間的零件分布十分緊密，對內(nèi)部對流換熱形成較大阻力[1]。隨著商用車的承重性能和動力的需求不斷提升，間接導(dǎo)致發(fā)動機的散熱量持續(xù)增大。有可能導(dǎo)致橡膠件或電線軟化，甚至?xí)p少元器件的使用壽命，引起汽車自燃。因此，設(shè)計的初始階段，需要對發(fā)動機艙內(nèi)熱量進行仿真，避免出現(xiàn)熱量聚集區(qū)[2,3]。

早期的散熱分析要在原型車制造出來才能實施 ，開發(fā)時間長并且成本高。而現(xiàn)在普遍采用的計算機CFD仿真[4]，可以快速的預(yù)測熱源產(chǎn)生的位置，并且根據(jù)流場的情況進行散熱分析。目前，許多研究人員在這方面做了大量研究。鄧康耀教授[5]對汽車排氣系統(tǒng)熱端采取CFD分析，根據(jù)熱源分布進行隔熱罩的設(shè)計，以隔離高溫保護發(fā)動機艙內(nèi)部零件；針對某商用車發(fā)動機艙內(nèi)散熱過高的問題，王豐之[6]對其進行熱管理分析，并根據(jù)流場的結(jié)果采用導(dǎo)流罩導(dǎo)流的辦法增加散熱器進風(fēng)量，有效的提高了發(fā)動機艙內(nèi)散熱效率；Vivek Kumar教授[7]通過用有限元結(jié)合Flow Network Modeling的方法，對車輛內(nèi)流場與熱場進行析，并且仿真結(jié)果與實驗結(jié)果十分接近，達到預(yù)期要求。

本研究基于CFD流體力學(xué)原理與傳熱學(xué)原理，對某國產(chǎn)重型商用車進行數(shù)值計算分析，找出造成其發(fā)動機艙產(chǎn)生熱害的來源，并且根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的改進方案。

1 基本控制方程

因為進入商用車發(fā)動機艙內(nèi)空氣流速較低，氣流密度變化不大，可以近似為常數(shù)[8]。由于艙內(nèi)模型復(fù)雜 ,容易引起分離 ,所以應(yīng)按湍流處理。各基本控制方程表示如下：

質(zhì)量守恒方程，微分表達法：

(1)

式中，ρ—— 密度

μ—— 速度矢量

動量守恒方程：

(2)

式中,μi—— 平均速度分量，m/s

p—— 靜壓力，MPa

xi—— 對應(yīng)的坐標(biāo)分量

μeff—— 湍流有效黏性系數(shù)

溫度能量守恒：

(3)

式中，T—— 溫度，℃

k—— 流體的傳熱系數(shù)

cp—— 比熱容，J/(kg·℃)

ST—— 流體的黏性耗散項

湍流動能k方程：

-ρε-YM+Sk

(4)

湍動能耗散方程：

(5)

式中,Gb—— 氣流引起的湍流能量

GK—— 表明由速度梯度引起的湍流能量[9]

YM—— 湍流脈動擴展對總耗散率的影響是湍流能量耗散率

ε—— 即湍流有效黏性系數(shù)

ρ—— 空氣密度，kg/m3

C1ε和C2ε為參考常數(shù)，取C1ε=1.6和C2ε=1.5；為區(qū)域源系數(shù)。并且湍流流動能量的湍流數(shù)及耗散率的湍流普朗特數(shù)，取σk=1.1，σε=1.3。

根據(jù)牛頓冷卻公式，在相對移動的流體和接觸溫度不同的固體壁之間[10]，流體從較高溫度側(cè)傳導(dǎo)。

熱對流方程：

Q=hA(tw-tf)

(6)

式中，Q—— 對流換熱熱量

A—— 與流體接觸的壁面積，也稱為熱交換面積

tw—— 固體表面溫度

tf—— 環(huán)境溫度

熱輻射方程：

(7)

式中，Q—— 熱輻射力

σ—— 輻射系數(shù)

ε—— 輻射率

tw—— 表面溫度

tf—— 環(huán)境溫度

2 模型建立與仿真分析

2.1 模型建立

由于商用車模型有許多部件，若全部分析將非常費時，受計算機硬件限制；因此僅對冷卻系統(tǒng)、前格柵、發(fā)動機、變速器和排氣管等零部件參照實物尺寸進行建模，將一些與熱分析不相干的零件去除[11]。并且在滿足計算精度要求下，需要對部分零部件進行優(yōu)化處理，具體建模如圖1所示。

圖1 發(fā)動機艙簡化模型

2.2 邊界設(shè)定與網(wǎng)格劃分

本次仿真設(shè)計是按照卡車散熱量最多的最大扭矩工況，相關(guān)熱源是根據(jù)該工況的實測值進行設(shè)置。該工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速是1500 r/min，環(huán)境溫度設(shè)定是30 ℃，車速v=20 km/h，計算邊界條件設(shè)置如表1所示。 入口邊界是速度狀態(tài)，風(fēng)速是車輛行駛狀態(tài)的車速。 且方向平行于地面，湍流強度i=0.01；出口為壓力出口狀態(tài)；入口和出口溫度與測試溫度一致。冷凝器和散熱器使用多孔介質(zhì)模型進行仿真，功率分別設(shè)置是65 kW和110 kW。 對流換熱模型采用Bossinesq模型，對傳熱系數(shù)設(shè)置為1.5 W/(m2·℃)；熱輻射采用Rosseland模型，輻射系數(shù)設(shè)置為0.05 W/m3(根據(jù)排氣管材料設(shè)置)。設(shè)置某些組件的初始熱邊界，如表2所示。

表1 邊界條件

表2 部分熱源

流體域尺寸為：50 m×40 m×35 m，如圖2所示。在對整體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分時，將遠(yuǎn)離發(fā)動機艙的外流場區(qū)域取大尺寸網(wǎng)格，而對發(fā)動機艙周圍的網(wǎng)格進行加密[12]，以此提高計算精度。生成的網(wǎng)格總數(shù)約為1800萬個。

圖2 模型三維計算區(qū)域

2.3 仿真結(jié)果分析

在CFD軟件中設(shè)置距離地面1.5 m的水平切面進行分析。從圖3a水平切面流場矢量圖可以看出，空氣在擋泥板兩端處速度較高，并且氣流被排氣管加熱后直接吹向氣囊，造成局部熱流聚集。

從圖3b水平切面溫度云圖和等軸側(cè)溫度云圖，可以看出外漏的排氣管熱輻射與熱流對橡膠氣囊和底部擋泥板都有影響，部分區(qū)域超過65 ℃，影響塑料部件的工作狀態(tài)和安全。

圖3 發(fā)動機艙溫度場云圖

為了對比仿真模擬和的可靠性，在相同工作條件下進行實車測試。 采用INTEST數(shù)字采集設(shè)備，在排氣管下方縱向間隔15 mm布置6個熱電偶傳感器進行測試，測出一定范圍內(nèi)其輻射的溫度如圖4所示。 通過測試和模擬之間的比較獲得六個測量點和計算值之間的差異，如表3所示。

圖4 測點位置

測點位置仿真值/℃實測值/℃誤差/%①71.568.34.4②68.266.42.6③61.459.72④72.169.24⑤65.763.82.8⑥62.258.16.5

從表3可以看出，試驗得出的溫度值和仿真值有一定的誤差。 主要建模中的一些地方簡化了處理，實際情況還可能存在零部件之間相互熱傳導(dǎo)。但誤差值在10%以內(nèi)，這可以解釋模擬結(jié)果的正確性。 所以溫度試驗結(jié)果只能作為驗證的一個參照。

總之，由于排氣管的輻射熱與行駛過程中空氣的流換熱，局部溫度太高，氣囊與擋泥板和排氣管熱源之間沒有隔離。 允許熱空氣直接流到其表面，導(dǎo)致溫度迅速升高，從而影響其性能和使用壽命。 因此有必要對擋泥板與氣囊進行熱保護處理。

2.4 隔熱優(yōu)化方案

針對CFD仿真中對流換熱產(chǎn)生的熱害，且氣囊與排氣管位置相對固定，本研究提出安裝直徑為17 cm且高15 cm的鋁制隔熱罩(見圖5)，對氣囊進行熱保護。隔熱板的表面具有高的熱反射率，不會增加或消除熱量，并且對熱輻射和熱流具有良好的屏障效果。

基于CFD結(jié)果中熱害向下輻射到擋泥板部分，考慮到成本與安裝方便的考慮，在排氣管增加隔熱套管的方式來減少熱輻射；隔熱材料是由玄武巖纖維，玻璃纖維無紡布和玻璃纖維硅布組成的三層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3 實驗驗證

3.1 測試方案

本研究采取實車場地試驗對比了隔熱方案的效果。環(huán)境溫度為30 ，發(fā)動機處于最大扭矩點(轉(zhuǎn)速1500 r/min)。 商用車以20 km/h的速度在跑道行駛40 min，氣囊與擋泥板布置測點取溫度最高值，具體測點位置如圖7所示。

圖5 隔熱罩

圖6 隔熱套材料

圖7 測點位置分布

3.2 測試結(jié)果分析

在安裝隔熱罩后安全氣囊溫度顯著降低。 從圖8中可見原車氣囊表面測試溫度為65.4 ℃和66.2 ℃，優(yōu)化后同一測點溫度為52.2 ℃和55.5 ℃，平均減低了11.95 ℃。 原車擋泥板表面測試溫度為58.5 ℃和59.2 ℃，優(yōu)化后同一測點溫度為49.2 ℃和50.1 ℃，平均減低了9.2 ℃。通過改進之后隔熱裝置明顯阻擋了部分熱流，使得受保護的安全氣囊表面溫度低于極限值。

圖8 優(yōu)化前后溫度對比

4 結(jié)論

(1) 本研究采用流場與熱場相結(jié)合的分析方法，對卡車熱害問題進行分析。結(jié)果表明排氣管向周圍零部件輻射熱量，因為缺乏有效的熱保護，導(dǎo)致氣囊與擋泥板溫度較高。測試與仿真結(jié)果之間的誤差小于10%，表明CFD數(shù)值模擬分析方法具有可靠性，可以通過仿真進行優(yōu)化和改進，提高工作效率；

(2) 根據(jù)分析結(jié)果提出安裝隔熱罩與隔熱套的防護措施，優(yōu)化后氣囊表面溫度平均下降了11.95 ℃，優(yōu)化后擋泥板表面溫度平均下降了9.2 ℃。 證明了熱源表面的隔熱措施取得了良好的效果，該結(jié)果可應(yīng)用于同款商用車產(chǎn)品設(shè)計，為今后實際熱害問題提供解決思路。