基于CFD分析的某輕型卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱保護(hù)研究

周榮良，毛洪海，嚴(yán)江，閆偉

1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261001

0 引言

隨著輕型卡車(chē)集成化程度不斷提高，卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置越來(lái)越緊湊。由于零部件之間的距離越來(lái)越小，輕型卡車(chē)關(guān)鍵零部件(特別是蓄電池與線束)在運(yùn)行時(shí)受發(fā)熱部件熱輻射與熱空氣流動(dòng)的影響，容易高溫失效甚至自燃。因此，確定熱害潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)以及提出相關(guān)預(yù)防方案成為目前輕卡行業(yè)重要研究課題之一。發(fā)動(dòng)機(jī)艙的構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)其溫度場(chǎng)的模擬仿真難度較大，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。Nobel等[1]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了三維熱管理仿真分析，改進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)艙與底盤(pán)的散熱性能。Kumar等[2]基于流體網(wǎng)格建模和CFD對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，經(jīng)比較實(shí)際測(cè)量結(jié)果，吻合較好；采用這種混合建模方法，可以大大縮短發(fā)動(dòng)機(jī)艙下熱管理的分析和設(shè)計(jì)周期。劉鐵軍[3]采用CFD模擬了排氣歧管熱輻射對(duì)溫度場(chǎng)的影響，通過(guò)使用隔熱罩有效控制了排氣歧管的熱輻射，降低周邊零部件的表面溫度。

CFD具有成本低、效率高且結(jié)果易于分析等優(yōu)點(diǎn)，可用于試驗(yàn)前的定性指導(dǎo)[4]。本文中基于Hypermesh軟件建立某輕型卡車(chē)的整車(chē)網(wǎng)格模型，利用STAR-CCM+有限元分析軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真分析。1)進(jìn)行某輕型卡車(chē)熱浸狀態(tài)(車(chē)輛駐停，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，散熱風(fēng)扇不工作)、發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1300 r/min)2種工況下沒(méi)有隔熱罩時(shí)的熱害仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，找出熱害潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并提出預(yù)防方案；2)根據(jù)預(yù)防方案在排氣歧管與渦輪增壓器周?chē)由细魺嵴?，以削弱排氣歧管與渦輪增壓器對(duì)周?chē)悴考臒彷椛渥饔茫垢麝P(guān)鍵零部件在使用過(guò)程中的溫度始終低于許用最高溫度，避免零部件的高溫失效甚至自燃；3)對(duì)隔熱罩的厚度進(jìn)行優(yōu)化，滿(mǎn)足車(chē)輛輕量化需求。

1 建模與標(biāo)定

1.1 問(wèn)題分析

本文中主要分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙的高溫?zé)彷椛湟约盁峥諝饬鲃?dòng)對(duì)周?chē)铍姵嘏c線束等關(guān)鍵部件的熱害影響，蓄電池具體位置如圖1所示，排氣歧管與渦輪增壓器附件的線束位置如圖2所示。

圖1 蓄電池位置示意圖 圖2 排氣歧管與渦輪增壓器附件線束位置示意圖

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的材料、外形與位置已經(jīng)確定，不易變更，因此預(yù)防熱害，需要在排氣歧管以及渦輪增壓器附近增加隔熱罩削弱熱輻射。排氣歧管溫度較高，需要使用隔熱材料進(jìn)行全包處理，在模型中體現(xiàn)為殼體，以體積熱源的形式賦上試驗(yàn)所測(cè)溫度。排氣歧管出口與渦輪增壓器附近則根據(jù)部件位置與熱輻射方向，設(shè)計(jì)2個(gè)隔熱罩來(lái)削弱熱輻射，隔熱罩材料采用厚度為3 mm的鋁合金。

1.2 模型建立

整車(chē)模型包括車(chē)頭、車(chē)廂、車(chē)架、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、底盤(pán)、線束和電控模塊，計(jì)算域大小為：66 m×42 m×30 m(長(zhǎng)、寬、高分別為整車(chē)車(chē)長(zhǎng)的11、7、5倍)。利用Hypermesh 軟件生成面網(wǎng)格，發(fā)動(dòng)機(jī)艙造型復(fù)雜，幾何表面尺寸差距極大，因此設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)模型網(wǎng)格大小為1～8 mm，整車(chē)模型網(wǎng)格大小為1～12 mm，共生成約830萬(wàn)個(gè)三角形面網(wǎng)格單元，將面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中進(jìn)行邊界層設(shè)置并生成體網(wǎng)格。為使仿真計(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙(主要是排氣歧管、缸體、渦輪增壓器、排氣歧管)周邊一定區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，最后生成約2210萬(wàn)個(gè)六面體網(wǎng)格單元[5-6]，整車(chē)網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

圖3 整車(chē)網(wǎng)格模型

仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒3個(gè)基本方程，湍流模型選擇標(biāo)k-ε模型[7]。

1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ為流體密度，t為時(shí)間，u、v和ω為流體在x、y和z坐標(biāo)上的速度分量。

2)動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)

(4)

3)能量守恒方程

(5)

式中：Cp為定壓比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為黏性耗散項(xiàng)。

由于排氣歧管、渦輪增壓器、后處理模塊等發(fā)熱部件與蓄電池、線束等均未直接接觸，因此本文主要對(duì)熱輻射與空氣流動(dòng)進(jìn)行探討，根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律[8]可以得到：

(6)

式中：E為實(shí)際物體輻射力；ε為實(shí)際物體的光譜發(fā)射率；Eb為黑體輻射力；C0為黑體輻射系數(shù),C0=5.67 W/(m2·K4)。

1.3 邊界條件

在整車(chē)熱害仿真分析中，對(duì)于車(chē)外，空氣從計(jì)算域入口流入，流經(jīng)整車(chē)外表面，再?gòu)挠?jì)算域出口流出；對(duì)于車(chē)內(nèi)，空氣從格柵流入，然后進(jìn)入散熱系統(tǒng)，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及車(chē)輛底盤(pán)。為了模擬該款輕型卡車(chē)在最?lèi)毫庸r下的熱害情況，選擇熱浸狀態(tài)與最大扭矩2種工況下進(jìn)行整車(chē)熱害仿真計(jì)算。由于整車(chē)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件非常多，為了能夠得到較為符合實(shí)際的仿真結(jié)果，因此需要對(duì)模型的參數(shù)設(shè)置與邊界條件進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)定，2種工況的整車(chē)熱害仿真邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 2種工況整車(chē)熱害仿真邊界條件

表1中所述傳熱邊界條件為整車(chē)熱平衡試驗(yàn)中所測(cè)零部件表面的結(jié)構(gòu)溫度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，所有熱源零部件的表面設(shè)為固定溫度表面，向外輻射熱量。為了使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，所有待測(cè)零部件均設(shè)為實(shí)體，與空氣區(qū)域形成Interface面進(jìn)行耦合計(jì)算，所測(cè)結(jié)果均為零部件表面的結(jié)構(gòu)溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大扭矩工況下地面設(shè)為無(wú)滑移壁面，地面速度設(shè)為汽車(chē)在該轉(zhuǎn)速下的行駛速度，為2.42 m/s；熱浸狀態(tài)地面設(shè)為無(wú)滑移固定壁面。實(shí)際情況中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱浸狀態(tài)時(shí)，仍然會(huì)有環(huán)境微風(fēng)，為了更好的模擬真實(shí)環(huán)境，入口風(fēng)速設(shè)為一級(jí)風(fēng)速，為0.2 m/s。2種工況下散熱器與中冷器皆采用換熱器模型進(jìn)行模擬計(jì)算，更加符合實(shí)際[9-10]。

1.4 熱平衡試驗(yàn)標(biāo)定

圖4 整車(chē)溫度場(chǎng)試驗(yàn)與仿真溫度對(duì)比

仿真計(jì)算前進(jìn)行整車(chē)熱平衡轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下整車(chē)溫度場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與相同條件下的整車(chē)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，具體數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，整車(chē)熱平衡試驗(yàn)中各傳感器測(cè)點(diǎn)溫度與仿真計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)所測(cè)溫度誤差皆小于5%，表明仿真模型較準(zhǔn)確，仿真計(jì)算結(jié)果有效，在該輕型卡車(chē)實(shí)際設(shè)計(jì)中可作為參考。

2 仿真結(jié)果分析與隔熱罩優(yōu)化

2.1 CFD結(jié)果分析

計(jì)算完成后，可得熱浸狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩2種工況的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)云圖，如圖5(圖5a)單位為m/s，圖5b)單位為℃)、6(圖6a)單位為m/s，圖6b)單位為℃)所示。

a) 整車(chē)速度場(chǎng)云圖 b) 整車(chē)溫度場(chǎng)云圖圖5 熱浸狀態(tài)下流動(dòng)傳熱云圖

a) 整車(chē)速度場(chǎng)云圖 b) 整車(chē)溫度場(chǎng)云圖 圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下流動(dòng)傳熱云圖

由圖5可知，熱浸狀態(tài)下整車(chē)流場(chǎng)流速為0.2 m/s，整車(chē)主要高溫區(qū)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙與后處理附近。由于空氣不流動(dòng)，熱量不易擴(kuò)散，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱源周邊平均溫度為120 ℃左右。由圖6可知，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下，整車(chē)流場(chǎng)較為通暢，壓力經(jīng)過(guò)散熱器與中冷器進(jìn)一步下降，流經(jīng)后處理模塊的氣流流速比較低；發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)由于散熱風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)空氣流動(dòng)，整體溫度分布較為均勻，整車(chē)主要高溫區(qū)也在發(fā)動(dòng)機(jī)艙與后處理附近，平均溫度為70 ℃左右。

汽車(chē)在熱浸狀態(tài)或者行駛過(guò)程中的熱害[11-12]潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要是蓄電池、排氣歧管與渦輪增壓器附近的線束，因此需要計(jì)算整車(chē)在熱浸與行駛狀態(tài)下，排氣歧管與渦輪增壓器未加隔熱罩以及加上隔熱罩時(shí)這些熱害潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的最高溫度，判斷其是否超出許用最高溫度。蓄電池表面最高溫度仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，渦輪增壓器附件線束表面最高溫度仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 蓄電池表面最高溫度 圖8 渦輪增壓器附件線束表面最高溫度

由圖7、8可知，在未使用隔熱罩對(duì)排氣歧管與渦輪增壓器的熱輻射進(jìn)行削減時(shí)，熱浸狀態(tài)下蓄電池表面最高溫度達(dá)到185.4 ℃，渦輪增壓器附近線束最高溫度達(dá)到293.0 ℃。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下，蓄電池與渦輪增壓器附近線束的最高表面溫度也超過(guò)120 ℃。所用材料不同，蓄電池與線束最高耐溫也不同，但一般在120 ℃以下。因此這些潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的最高溫度接近甚至超過(guò)材料許用最高溫度，容易引起高溫失效甚至自燃。排氣歧管與渦輪增壓器加上隔熱罩遮擋后，蓄電池與線束表面最高溫度都有較大幅度的降低。熱浸狀態(tài)下蓄電池最高溫度降幅為132.1 ℃、渦輪增壓器附近線束最高溫度降幅為194.8 ℃。發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下蓄電池與渦輪增壓器附近線束最高表面溫度降幅也在60 ℃左右，有效保護(hù)了蓄電池與線束，避免這些部件因高溫而失效甚至自燃。

2.2 隔熱罩優(yōu)化

輕量化是汽車(chē)節(jié)能的一個(gè)重要方向，本文中在不影響熱輻射削減效果的前提下，通過(guò)減小排氣歧管與渦輪增壓器周?chē)?個(gè)隔熱罩的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。在其他條件不變的情況下，將隔熱罩厚度分別設(shè)為5.0、3.0、2.0、1.5和1.0 mm，在熱浸狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩2個(gè)工況下進(jìn)行仿真計(jì)算。由于該變動(dòng)只對(duì)附近的線束影響較大，因此這里只分析排氣歧管、渦輪增壓器附近線束的最高表面溫度變化，得到的線束表面最高溫度如圖9所示。

圖9 線束表面最高溫度曲線

由圖9可知，隨著厚度的降低，隔熱罩對(duì)熱輻射遮擋效果減弱，同一工況下線束最高表面溫度逐漸上升。當(dāng)隔熱罩厚度大于1.5 mm時(shí)，隨著厚度的增加，隔熱效果增加不明顯，線束表面最高溫度降低幅度很小，在5 ℃以?xún)?nèi)，特別是由3.0 mm增至5.0 mm時(shí)線束表面溫度幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)厚度由1.5 mm減到1.0 mm時(shí)，隔熱效果明顯減弱，線束表面最高溫度急劇上升，熱浸狀態(tài)下線束最高表面溫度上升幅度超過(guò)6 ℃。因此，厚度為1.5 mm的隔熱罩既保證了對(duì)熱輻射的隔熱作用，達(dá)到使用需求，又實(shí)現(xiàn)了輕量化的效果，可以作為設(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)先選擇。

3 結(jié)論

1)在未使用隔熱罩對(duì)排氣歧管與渦輪增壓器的熱輻射進(jìn)行削減時(shí)，蓄電池與附近線束最高表面溫度非常高。加上隔熱罩進(jìn)行遮擋后，蓄電池與線束表面最高溫度大幅降低，有效保護(hù)了蓄電池與線束，避免高溫失效甚至自燃。

2)隨著厚度的減小，隔熱罩對(duì)熱輻射遮擋效果減弱，同一工況下線束最高表面溫度逐漸上升。當(dāng)隔熱罩厚度大于1.5 mm時(shí)，隨著厚度的增加，隔熱效果增加不明顯。當(dāng)厚度由1.5 mm減到1.0 mm時(shí)，隔熱效果明顯減弱。選用1.5 mm厚的隔熱罩既可保證對(duì)熱輻射的隔熱作用，又實(shí)現(xiàn)了輕量化。