商用車冷卻模塊匹配設(shè)計方法研究

張露

摘 要：分析車輛的冷卻系統(tǒng)流動傳熱規(guī)律，提高冷卻系統(tǒng)在車輛部件設(shè)計過程中的準確性。文章主要針對商用車的冷卻模塊作為主要的研究，從流體力學(xué)及傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上，通過試驗分析進行了車輛冷卻的傳熱問題分析和數(shù)據(jù)測試，希望能夠為實際應(yīng)用提供冷卻系統(tǒng)性能的改善指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：冷卻模塊;散熱器;仿真;性能;離散中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）02-131-03

Abstract： Analyze the flow and heat transfer law of the cooling system of the vehicle and improve the accuracy of the cooling system in the design process of the vehicle components. This is mainly for the cooling module of commercial vehicles as the main research. Based on the theory of fluid mechanics and heat transfer， the heat transfer problem analysis and data test of vehicle cooling are carried out through test analysis， hoping to provide cooling system performance for practical applications. Improvement guidance.Keywords： Cooling module; Heat sink; Simulation; Performance; DiscreteCLC NO.： U462.1? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-131-03

前言

在車輛冷卻技術(shù)試驗研究及數(shù)值分析水平不斷發(fā)展變化的基礎(chǔ)上，在設(shè)計車輛冷卻系統(tǒng)的過程中應(yīng)將實際的流動阻力及冷卻風(fēng)量參數(shù)作為車輛冷卻模塊匹配設(shè)計的主要考慮因素。本文將主要結(jié)合動力艙的冷卻氣流動力平衡設(shè)計理念為支撐，通過數(shù)據(jù)支撐與試驗結(jié)合的形式，在計算建立車輛冷卻模塊匹配模型的過程中應(yīng)通過設(shè)計參數(shù)化模塊的方式開展。以商用車冷卻系統(tǒng)的實際散熱要求，展開冷卻模塊的設(shè)計開發(fā)研究。

1 車輛散熱器的模塊性能分析

1.1 散熱器的模塊一維仿真

對大多數(shù)車載的散熱器在經(jīng)驗公式、性能試驗的前提下通過維仿真軟件能搭建散熱器的模型，從而借助模型進行短時間內(nèi)的模塊性能預(yù)測，最終得出傳熱的基本參數(shù)，一次進行車載冷卻模塊的設(shè)計參考。本文所用的軟件是GT-COOL，對散熱器進行一維建模及具體數(shù)據(jù)計算。多數(shù)商用車的冷卻模塊一般是由水散熱器和冷器等組合而成，通過軟件的優(yōu)勢搭建模塊要從模塊幾何圖形上進行模型的仿真計算。散熱器的物理模塊模型如圖1。

在進行模塊的仿真計算時，對模型管路的內(nèi)部相變問題進行了理想化的假設(shè)，假設(shè)截面流體的狀態(tài)一致，通道則為一個維度的軸向流動。這種現(xiàn)象可以將其認定為是散熱器模塊中管內(nèi)流動符合相關(guān)定律，動量及能量方程。借助軟件進行快速的流動仿真求解，得出冷熱測出口的穩(wěn)定計算結(jié)果。

1.2 散熱器的模塊三維仿真

1.2.1 物理仿真模型建立

車用散熱器翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量多。借助三維數(shù)值進行散熱器的仿真研究，要確保幾何結(jié)構(gòu)完整性。常用多孔介質(zhì)模型來實現(xiàn)中冷器及散熱器的翅片簡化，針對多孔介質(zhì)的參數(shù)及實際模型的一致性定義。基于散熱器的內(nèi)外側(cè)間壁厚度及通流表面積這一現(xiàn)象，可以通過壁面處理來降低網(wǎng)格數(shù)量。

1.2.2 設(shè)置定解條件的參數(shù)

定解條件主要是指邊界條件及初始條件兩種。前者主要是以進口邊界為主的邊界速度設(shè)置，流體的設(shè)定在入口的溫度，速度保持不變。壓力出口則設(shè)置為出口邊界。后者主要是針對一個特定起始時刻對壓力、密度、速度及溫度等設(shè)置，實際設(shè)置模塊的過程中應(yīng)圍繞著一個特定區(qū)域進行計算，設(shè)置區(qū)域時應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的邊界條件。假設(shè)是均勻分布的，避免的邊界用于進行固體以及流體區(qū)域的限定，這里的邊界設(shè)置為無滑移邊界。

1.2.3 控制方程式

在CFD的仿真軟件中，主要的模型以spalart-allmaras模型、分離渦模擬以及雷諾應(yīng)力等模型為主。相關(guān)的控制方程式為：

1.2.4 模型仿真結(jié)果分析

通過冷氣熱測的增壓空氣流動速度的觀察，最高的是整個模塊中冷熱測流的流動。熱空氣經(jīng)過出口向散熱器的上端分布，流速也通過上傳通道大于下端的通道流速。冷卻風(fēng)經(jīng)冷氣時均勻分布，所以在他們經(jīng)過冷氣風(fēng)進入散熱器。冷卻風(fēng)就會出現(xiàn)一個不均勻的溫度分布。這種中冷器和水散熱器在熱流體上的流速匹配所呈現(xiàn)的區(qū)別，與商用車冷卻模塊的匹配設(shè)計有緊密關(guān)系。

1.3 常見的動力艙側(cè)流動模型

1.3.1 不管是前置還是后置的車輛動力艙

要想從外界自然環(huán)境進入動力艙冷卻氣流必須要經(jīng)過入口處的進風(fēng)格柵，并從排風(fēng)格柵中排出。格柵的作用主要是為了保護冷卻系統(tǒng)不受破壞及堵塞，但對于冷卻氣流來說出現(xiàn)了一定的局限。

1.3.2 分析發(fā)動機的熱平衡是計算商用車動力艙熱平衡的重要前提

在不具備發(fā)動機熱平衡的數(shù)據(jù)支持狀態(tài)下，冷卻液的散熱量要通過發(fā)動機的傳熱模型散熱處理，最終由發(fā)動機敘內(nèi)燃燒的計算參數(shù)得出結(jié)果。

2 設(shè)計車輛冷卻模塊的匹配的途徑

2.1 設(shè)計冷卻模塊匹配的軟件

計算及匹配商用車的的熱管理理論主要以集成化的系統(tǒng)平臺開發(fā)為主。所用的軟件在功能上包括：當車輛的熱管理邊界條件明確及結(jié)構(gòu)性能清晰的狀態(tài)下應(yīng)計算機輸出冷卻模塊及傳熱性能。若已知的車輛熱管理部分結(jié)構(gòu)性能與邊界條件明確可以通過設(shè)計對未完成部分的外觀尺寸、結(jié)構(gòu)性能等進行變化。軟件的計算模塊如圖2所示：

在其計算模塊的性能上，主要包括冷卻風(fēng)的邊界條件，發(fā)動機的運行狀態(tài)，格柵、風(fēng)扇及散熱等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并對安裝散熱器、風(fēng)道的部件及冷卻氣流是否均勻等參數(shù)系統(tǒng)之間的影響進行相關(guān)性的分析。在計算冷卻模塊的相關(guān)性能以及產(chǎn)品的升級開發(fā)中，經(jīng)過散熱器的冷卻空氣流量大小直接關(guān)系到系統(tǒng)的總體平衡計算精度。當車輛內(nèi)動力艙的空氣流動較為穩(wěn)定均衡時，對其進行的壓力平衡計算公式為：p_f=p_c+ p_d+p_g-p_a，其中p_f是指風(fēng)扇靜壓、p_c作為壓降的冷卻模塊，p_d是動力艙內(nèi)風(fēng)速流動產(chǎn)生的動力，p_g是格柵流動產(chǎn)生的阻力。p_a是車輛進氣時的沖擊壓力。方程式中各個參數(shù)的數(shù)值既可以在試驗測試或者性能手冊中查詢，也可以通過一維、三維數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)進行獲取，并可以將各個所得的數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗公式生成曲線后輸入。

2.2 冷卻模塊的匹配設(shè)計實證

為確保散熱器的模塊仿真能夠?qū)峁芾硐到y(tǒng)進行較為準確的性能預(yù)測，將Fluent仿真、模塊的風(fēng)洞測試、GT-COOL仿真等結(jié)果分別通過實施軟件系統(tǒng)開展專業(yè)性的計算，結(jié)合車載的實際功率進行測試，扭矩點的數(shù)據(jù)做對比分析。通過研究可以得出：在開展風(fēng)洞測試的過程中，相應(yīng)模塊參數(shù)與實際的工作狀態(tài)最為接近，因此道路測試的結(jié)果與實車性能等結(jié)果也比較相近。一維和三維的仿真對熱量熱管理的性能分析可能存在較大的誤差，這是因為風(fēng)洞測試在定量試值上存在仿真誤差。系統(tǒng)中散熱器散熱量與空氣壓降進行偏差的抵消，所得的預(yù)測值與風(fēng)洞實驗的結(jié)果相似，在變化上也呈現(xiàn)一直的同樣的趨勢。由此得出，對一維和三維的模型仿真應(yīng)用需要結(jié)合實際的商用車的冷卻模塊要求，確保系統(tǒng)設(shè)計上的精度和性能。通過對數(shù)值理論來提升仿真模型的精度同樣也是研究創(chuàng)新熱管理系統(tǒng)的重要途徑?？偠灾谠O(shè)計現(xiàn)代化商用車的過程中，通過進行格柵與散熱器和艙內(nèi)模塊的匹配設(shè)計，使得系統(tǒng)的壓降與車輛動力艙的流動阻力之間的差距不斷的縮小。以此獲取更加準確及理想的壓降關(guān)系及冷卻風(fēng)量，這對于商用車的冷卻模塊匹配設(shè)計是有很重要的現(xiàn)實意義的。

3 結(jié)語

總之，車輛的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，通過數(shù)值仿真能夠結(jié)合模塊特點實現(xiàn)不同階段的虛擬設(shè)計。經(jīng)過數(shù)據(jù)與理論的結(jié)合計算分析，對冷卻模塊的運行性能進行了驗證。格柵、冷卻模塊等會對冷卻系統(tǒng)的傳熱流動帶來較為顯著的影響。因此，在設(shè)計冷卻模塊的過程中需要綜合所有因素進行分析考慮，實現(xiàn)模塊設(shè)計效率及精度的提升。

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