基于OpenFOAM的發(fā)動(dòng)機(jī)艙回流計(jì)算方法研究

吳龍兵，周江彬，吳海波,，許思傳

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

車輛在怠速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱空氣回流是導(dǎo)致冷卻、空調(diào)系統(tǒng)性能降低的重要原因[1-2]。針對(duì)當(dāng)前的新能源車型，空調(diào)系統(tǒng)作為消耗電池電量的重要環(huán)節(jié)，低效率的空調(diào)系統(tǒng)將給整車?yán)m(xù)航帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，如何降低前艙回流，提高空調(diào)、冷卻等系統(tǒng)的效率，對(duì)新能源車型尤為重要[3]。尤其是針對(duì)當(dāng)前的混合動(dòng)力車型，由于動(dòng)力系統(tǒng)的需要，前艙及冷卻模塊布置更復(fù)雜且更易受到回流的影響。

目前針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙回流問(wèn)題的研究和工程實(shí)踐以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）定性計(jì)算和整車測(cè)試結(jié)合為主[4-6]。張坤等[7]通過(guò)對(duì)計(jì)算流場(chǎng)的分析，優(yōu)化存在回流的區(qū)域的導(dǎo)風(fēng)件，改善發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能。PATIDAR等[8]通過(guò)對(duì)某商用車前艙和冷卻模塊的CFD分析，對(duì)散熱器局部位置增加擋風(fēng)板，阻止熱空氣回流。從大多數(shù)的研究和工程案例來(lái)看，目前基于CFD的回流仿真工作是建立在定性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的分析來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究[9-10]。然而，對(duì)于前艙回流問(wèn)題的定量研究，通常是對(duì)輸出的流量結(jié)果進(jìn)行處理。王東等[11]通過(guò)對(duì)散熱器進(jìn)風(fēng)量以及格柵進(jìn)氣量的計(jì)算，根據(jù)進(jìn)氣效率來(lái)估算不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的回流率。對(duì)于艙內(nèi)熱空氣回流至冷卻模塊前的量化以及分布情況，目前并無(wú)相關(guān)研究。因此，開(kāi)發(fā)一種可直接進(jìn)行回流計(jì)算并根據(jù)分布云圖進(jìn)行分析的方法，對(duì)提高空調(diào)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。OpenFOAM是一款開(kāi)源CFD軟件，其源代碼公開(kāi)，可根據(jù)其源代碼進(jìn)行功能及求解器的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更多功能[12-13]。

本文基于OpenFOAM軟件對(duì)計(jì)算回流的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，研究前艙熱空氣回流問(wèn)題，并對(duì)某款PHEV車型進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，降低前艙回流，提高怠速下的熱管理系統(tǒng)性能。

1 回流計(jì)算方法開(kāi)發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)艙回流指的是發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱空氣回流到前端冷卻模塊上，使經(jīng)過(guò)冷凝器、中冷器、低溫散熱器以及發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器等零件的空氣溫度變高，導(dǎo)致散熱性能下降的現(xiàn)象。與車輛在移動(dòng)狀態(tài)下不同，當(dāng)車輛處于怠速時(shí)，冷卻模塊由布置在其后方的風(fēng)扇提供風(fēng)量，此時(shí)由于無(wú)主動(dòng)進(jìn)風(fēng)，冷卻模塊前方的壓力低于風(fēng)扇后，會(huì)導(dǎo)致更多發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱空氣通過(guò)冷卻模塊周邊的縫隙返回至冷卻模塊前方。

1.1 基本控制方程

由于前艙氣流的不可壓縮性以及前艙存在大量渦流現(xiàn)象，所以計(jì)算的基本控制方程依然是連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。

連續(xù)性方程：

式中：ρ為流體的密度，kg/m3；ui為流體速度沿i方向的分量；xi為i方向的坐標(biāo)；t為時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程：

式中：p為靜壓力，Pa；t為時(shí)間，s；xi為i方向坐標(biāo)；xj為j方向坐標(biāo)；ui為流體速度沿i方向分量；uj為流體速度沿j方向分量；ρ為氣體密度，kg/m3；為應(yīng)力矢量；gi為i方向的重力分量；Fi為阻力等引起的其它項(xiàng)。

能量守恒方程：

式中：h為熵；t為時(shí)間，s；xi為i方向的坐標(biāo)；ui為流體速度沿i方向的分量；T為溫度，K；ρ為氣體密度，kg/m3；k為分子傳導(dǎo)率；ki為由湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)較為復(fù)雜，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)下，存在較多渦流，因此，選用k-ε湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是半經(jīng)驗(yàn)公式，主要以湍流動(dòng)能和耗散率為基礎(chǔ)。湍流動(dòng)能方程是精確方程，而湍流動(dòng)能耗散率方程是由經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出的。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

湍流動(dòng)能方程：

湍流動(dòng)能耗散率ε方程：

式中：μl為層流黏度系數(shù)；μt為湍流黏度系數(shù)；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2；Gb為由浮 力 產(chǎn) 生 的 湍 流 動(dòng) 能，m2/s2；為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2 計(jì)算原理

開(kāi)發(fā)的回流計(jì)算方法的原理如圖1所示。分別對(duì)散熱器進(jìn)出面進(jìn)行定義，進(jìn)風(fēng)面設(shè)置為sink項(xiàng)，所有經(jīng)過(guò)該面的空氣被吸收混合，出風(fēng)面設(shè)置為source項(xiàng)，通過(guò)該面的空氣為被加熱后的空氣，定義所有經(jīng)過(guò)該面的空氣為新的組分，即回流熱空氣（radiator air），除回流外的空氣定義為新空氣（cool air）。以監(jiān)測(cè)冷凝器進(jìn)風(fēng)回流程度為例，監(jiān)控面設(shè)置在冷凝器迎風(fēng)面，監(jiān)測(cè)面上的混合空氣由兩種組分構(gòu)成，即回流熱空氣以及除此以外的新空氣，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理，可得到冷凝器的回流占比。計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)階段，第1階段進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，當(dāng)流場(chǎng)穩(wěn)定后再進(jìn)行回流流場(chǎng)計(jì)算，直至計(jì)算收斂。

圖1 回流計(jì)算方法原理

2 某車型仿真與優(yōu)化

基于開(kāi)發(fā)的計(jì)算方法，對(duì)某PHEV車型在怠速工況下的前艙回流問(wèn)題進(jìn)行分析。該車型遇到的問(wèn)題是怠速工況下空調(diào)降溫性能較差，車內(nèi)出風(fēng)口溫度難以達(dá)標(biāo)。通過(guò)與另一款車型的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主要差別在于冷卻模塊及其周邊模塊的布置，因此，猜測(cè)是怠速下回流率過(guò)高造成冷凝器散熱性能變而差引起的空調(diào)性能下降。

在計(jì)算模型中設(shè)置風(fēng)扇的特性曲線以及散熱器的阻力系數(shù)等，回流空氣在冷凝器表面的組分分布如圖2和圖3所示。

圖2 回流空氣在冷凝器表面的分布

圖3 新鮮空氣在冷凝器表面的分布

對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理過(guò)程中，可分別分析回流熱空氣以及新空氣在冷凝器表面的分布情況。由圖2可知，回流熱空氣在冷凝器表面的分布主要集中在冷凝器左側(cè)以及右上角區(qū)域。由圖3可知，新空氣在冷凝器表面的分布與回流熱空氣的分布正好耦合。

為驗(yàn)證該區(qū)域空氣回流的存在，對(duì)冷卻模塊附近的回流流場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示。

圖4 冷卻模塊左側(cè)區(qū)域回流流場(chǎng)

圖5 冷卻模塊右上角區(qū)域附近流場(chǎng)

根據(jù)冷凝器表面云圖可知，回流集中在左側(cè)和右上角區(qū)域，因此，著重對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的回流流場(chǎng)進(jìn)行分析。圖4為左側(cè)回流區(qū)域的流場(chǎng)，追溯該區(qū)域的回流來(lái)源，回流空氣的路徑主要是通過(guò)散熱器與支架間隙以及部分通過(guò)導(dǎo)風(fēng)件縫隙。圖5為右上角區(qū)域流場(chǎng)，該區(qū)域與左側(cè)不同，少量回流空氣通過(guò)散熱器支架間隙，大多數(shù)熱空氣來(lái)源于導(dǎo)風(fēng)件縫隙，甚至冷卻模塊左側(cè)縫隙導(dǎo)致的回流空氣會(huì)橫穿整個(gè)冷卻模塊到達(dá)右上角區(qū)域。

該計(jì)算方法除了可以直接顯示回流空氣在冷凝器表面的分布外，還可以通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的歸一化以及冷凝器表面的空氣流量結(jié)果，分別得到冷凝器表面的回流空氣量和回流率。怠速工況下冷凝器進(jìn)風(fēng)量為0.518 kg/s，回流率為32.7%，回流熱空氣量為0.169 kg/s。

根據(jù)CFD計(jì)算的結(jié)果，對(duì)該冷卻模塊周圍的密封以及導(dǎo)風(fēng)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為配合計(jì)算方法的驗(yàn)證，分別采用以下兩種優(yōu)化方案。

方案1：對(duì)散熱器與支架之間的間隙進(jìn)行密封。

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)風(fēng)件進(jìn)行優(yōu)化，最大限度減小與周邊結(jié)構(gòu)的縫隙。

分別對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算設(shè)置保持與原車型一致。方案1、方案2的計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 方案1冷凝器表面的回流分布

圖7 方案2冷凝器表面的回流分布

與原車型相比，通過(guò)方案1的優(yōu)化，左側(cè)區(qū)域的回流情況明顯改善，僅有部分無(wú)法被密封件覆蓋的孔隙存在回流。右上角區(qū)域回流情況有所改善，但效果較差，通過(guò)對(duì)回流流場(chǎng)的分析，右上角區(qū)域的回流來(lái)源有很大一部分是來(lái)自導(dǎo)風(fēng)件縫隙甚至左側(cè)的縫隙，因此，在方案1的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)風(fēng)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能消除導(dǎo)風(fēng)件與周邊零件的縫隙。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，通過(guò)對(duì)導(dǎo)風(fēng)件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，阻隔回流空氣通過(guò)導(dǎo)風(fēng)件與周邊結(jié)構(gòu)的縫隙，對(duì)于降低右上角區(qū)域的回流有明顯效果，右上角區(qū)域的回流基本消失，僅有冷卻模塊左側(cè)存在少量回流。由于該區(qū)域布置了空調(diào)管路等零件，密封件無(wú)法覆蓋到該區(qū)域，所以未對(duì)該區(qū)域進(jìn)行密封優(yōu)化。

由圖8可知整個(gè)冷卻模塊在內(nèi)的流場(chǎng)信息，可以看出，區(qū)域內(nèi)回流量明顯減少，尤其是回流至散熱器表面的熱空氣基本被阻隔。

圖8 優(yōu)化后的回流流場(chǎng)

分別對(duì)兩種優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到回流率及回流量結(jié)果。優(yōu)化后及原車型的回流率和回流量的比較見(jiàn)表1。通過(guò)在散熱器與支架之間增加密封件，回流率從32.7%降低至24.8%，左側(cè)區(qū)域的回流降低明顯，再通過(guò)對(duì)導(dǎo)風(fēng)件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，整體回流率降低至9.3%，右上角區(qū)域的回流情況明顯改善。

表1 優(yōu)化方案與原車型計(jì)算結(jié)果匯總

3 結(jié)論

怠速工況下冷卻模塊的冷卻空氣完全由風(fēng)扇提供，前后壓差的存在導(dǎo)致前艙熱空氣極易回流至冷卻模塊前方，從而降低空調(diào)、冷卻系統(tǒng)性能。本文基于OpenFOAM進(jìn)行回流計(jì)算方法的開(kāi)發(fā)，通過(guò)定義監(jiān)測(cè)面、組分轉(zhuǎn)變面和不同組分，可對(duì)前艙回流問(wèn)題進(jìn)行分析。采用開(kāi)發(fā)的計(jì)算方法直接計(jì)算回流空氣在監(jiān)控面上的分布云圖和回流流場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算出回流率和回流量。

利用開(kāi)發(fā)的方法對(duì)某款PHEV車型進(jìn)行計(jì)算，原型車的回流率為32.7%，回流量為0.169 kg/s。根據(jù)云圖及流場(chǎng)對(duì)密封件和導(dǎo)風(fēng)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使回流率分別降低至24.8%和9.3%，回流量分別降低至0.128 kg/s和0.048 kg/s，從而大幅降低了進(jìn)入冷凝器、低溫散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的空氣溫度，為提升熱管理系統(tǒng)性能提供有效措施。