基于某1.5tSUV排氣熱害分析

王心宇，耿勝民

（北京希艾益科技有限公司，北京 100076）

引言

采用仿真手段對排氣系統(tǒng)進行熱害分析，分析周期短，得出的溫度分布可用于指導整車熱平衡、熱害試驗布點[1]，使用計算機仿真的成本遠小于整車熱平衡試驗，但得出的結果可靠性不高，對操作者依賴性強，驗證實驗又是必不可少的。相對于整車熱害試驗高昂的試驗費用，仿真分析方法可以最大限度節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，樣車試制前進行風險點評估[2]。

1 模型介紹

三維CFD流體模型設置。處理整車數(shù)據(jù)包括機艙零部件，外CAS，底盤，動力系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)，空調系統(tǒng)。模型中不包括：乘員艙內部件。對排氣系統(tǒng)，線束，隔熱罩，吊耳，進氣格柵進行細化，保留數(shù)據(jù)細節(jié)部分。體網(wǎng)格對發(fā)動機艙及下車體進行體網(wǎng)格加密。風洞計算域：車前13m車后44m，高6m，寬8m。最終弄生成面網(wǎng)格700萬，體網(wǎng)格1800萬。模型設置：風洞入口設置為速度入口，出口為壓力出口，車兩側及上側設置為壁面，車底地面設置為壁面，為模擬冷卻模塊阻力，將冷凝器及散熱器單獨設置為多孔介質區(qū)域；設置風扇區(qū)域為旋轉坐標系區(qū)域，用于模擬風扇旋轉。為精確模擬車體下氣體流動狀態(tài)，將車體下地面設置為與風速大小、方向相同的移動速度。物理模型：三維、穩(wěn)態(tài)、空氣設置為理想氣體。

輻射計算模型中包含面網(wǎng)格64萬，對排氣系統(tǒng)，線束，隔熱罩，吊耳，進行細化保留數(shù)據(jù)細節(jié)部分；模型設置：分別設置模型材料屬性，比如塑料零部件、橡膠零部件、鐵制零部件、鋁零部件的密度導熱率、材料厚度、比熱、輻射發(fā)射率等。邊界條件：對排氣系統(tǒng)賦予溫度值。

在熱平衡環(huán)境艙中進行熱平衡試驗，環(huán)境溫度40℃。分為三個階段90km/h，高速預跑10min，40km/h，7%坡度，爬坡25min，怠速13min。對風險點布置熱電偶，觀察過程中是否有零部件超過溫度限值而導致零部件失效。

圖1 體網(wǎng)格截面

圖2 排氣系統(tǒng)表面溫度

2 穩(wěn)態(tài)仿真分析結果

分別對怠速工況、高速工況、低速爬坡工況進行穩(wěn)態(tài)分析，輻射計算模型計算出零部件表面溫度，表面溫度作為三維CFD流體分析模型的邊界條件，三維CFD流體分析模型計算得出對流換熱系數(shù)及流體溫度，而對流化熱系數(shù)與流體溫度作為輻射計算模型的邊界條件，得出計算結果，如下，由于部分邊界條件輸入不合理，發(fā)動機及變速器未作為熱源邊界條件，以及部分測點位置偏差導致部分測點實驗值與仿真值偏差較大。

表1 各工況下仿真測點溫度

機艙內零部件仿真值合理，由于機艙內發(fā)動機變速器等未作為溫度邊界條件，導致發(fā)動機周邊零部件仿真溫度值偏低，測點位置偏差導致后消及底盤位置部分零部件測點溫度仿真值大于實驗值，后續(xù)繼續(xù)驗證。

怠速工況，實驗值與仿真值相差較大的測點位置：球籠防塵罩前，實驗值75℃仿真值63.6℃誤差18%；90km/h球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，誤差18%；主催化器吊耳司機側，實驗值62.4℃，仿真值82.4℃，誤差24%；主催化器吊耳副司機側，實驗值71.8℃，仿真值95.3℃，誤差25%；后消音器后吊耳，實驗值52.3，仿真值74.6，誤差30%；后消音器地板上，實驗值26.6℃，仿真值69.9℃，誤差56%；電瓶正極樁頭，實驗值42℃，仿真值62.9℃，誤差33%。以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導致。發(fā)電機表面，實驗值78.5℃，仿真值63.5℃，誤差24%；水箱上水管實驗值81.8℃，仿真值66.1℃，誤差24%。以上位置誤差較大，主要原因是，發(fā)動機及變速器未作為溫度邊界條件。

高速工況，實驗值與仿真值相差較大的測點位置：球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，誤差18%；后消音器地板上，實驗值26.3℃，仿真值56.7℃，誤差64%；以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導致。發(fā)電機表面，實驗值76.8℃，仿真值61.4℃，誤差20%；水箱下水管，實驗值75.6℃，仿真值60.7℃，誤差20%；水箱上水管，實驗值84 ℃，仿真值63.2 ℃ ，誤差24%。以上位置誤差較大，主要原因是，發(fā)動機及變速器未作為溫度邊界條件。

圖3 怠速工況

低速爬坡工況：后消音器后吊耳，實驗值79.7℃，仿真值117.7℃，誤差32%；后消音器前吊耳，實驗值89.4℃，仿真值115℃，誤差22%；后消音器地板上，實驗值27.2℃，仿真值73℃，誤差63%；以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導致。發(fā)動機下懸置，實驗值76℃，仿真值98℃，誤差22%；發(fā)電機表面，實驗值91℃，仿真值80.6℃，誤差11%；水箱下水管，實驗值92℃，仿真值78.2℃，誤差15%；水箱上水管，實驗值99.8 ℃ ，仿真值84.6℃ ，誤差15%。以上位置誤差較大，主要是發(fā)動機及變速器，未作為溫度邊界條件。

怠速實驗值測點溫度及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖3上圖，溫差較大的位置：保險盒表面，實驗值50℃，仿真值64.8℃，仿真值高于實驗值14.8℃。電瓶正極樁頭，實驗值42℃，仿真值62.9℃，仿真值高于實驗值20.9℃。水箱上水管，實驗值81.8，仿真值66.1℃，仿真值低于實驗值15.7℃。主催化器吊耳司機側，實驗值62.4，仿真值82.4℃，仿真值高于實驗值20℃。主催化器吊耳副司機側，實驗值71.8，仿真值95.3℃，仿真值高于實驗值23.5℃。后消音器后吊耳，實驗值52.3℃，仿真值74.6℃，仿真值高于實驗值22.3℃。后消音器地板上，實驗值26.6℃，仿真值59.9℃，仿真值高于實驗值33.3℃。

圖4 高速工況

高速工況，實驗值及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖4上圖，溫差較大位置：球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，仿真值高于實驗值14.9℃。發(fā)電機表面，實驗值76.8℃，仿真值61.4℃，仿真值低于實驗值15.4℃。水箱下水管，實驗值75.6℃，仿真值60.7℃，仿真值低于實驗值14.9。水箱上水管，實驗值84℃，仿真值63.2℃，仿真值低于實驗值20.8℃。后消音器地板上，實驗值26.3℃，仿真值56.7℃，仿真值高于實驗值30℃。

圖5 低速爬坡工況

低速爬坡工況，實驗值及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖5上圖，溫差較大位置：球籠防塵罩上，實驗值124℃，仿真值144.8℃，仿真值高于實驗值20.5℃。球籠防塵罩后。實驗值100℃，仿真值118℃，仿真值高于實驗值18℃。發(fā)動機下懸置，實驗值76℃，仿真值98℃，仿真值高于實驗值22℃。水箱下水管，實驗值92℃，仿真值78.2℃，仿真值低于實驗值13.8℃。水箱上水管，實驗值99.8℃，仿真值84.6℃，仿真值低于實驗值15.2℃。主催化器吊耳副司機側實驗值124℃，仿真值147.7℃，仿真值高于實驗值23.7℃。后消音器后吊耳，實驗值79.7℃，仿真值117.7℃，仿真值高于實驗值38℃。后消音器前吊耳，實驗值89.4，仿真值115℃，仿真值高于仿真值25.6℃。后消音器地板上，實驗值27.2℃，仿真值73℃，仿真值高于實驗值45.8℃。

部分位置仿真值與實驗值相差較大，主要是測點偏差：部分位置實驗測點位置與仿真測點位置不對應，如球籠防塵罩，主催化器吊耳等。發(fā)動機及變速器為添加溫度邊界條件，導致發(fā)動機周邊零部件溫度，仿真值低于實驗值。后消音器地板上位置的熱電偶存在誤差。

3 瞬態(tài)分析

材料受115℃輻射0.3hours與受100℃輻射1hours，材料熱損失相同[3]，低速爬坡工況至怠速工況的過渡階段，輻射溫度往往高于低速爬坡階段，瞬態(tài)分析可以模擬出低速爬坡至怠速過渡區(qū)域的輻射溫度以及在該輻射溫度下的時間。因此進行瞬態(tài)分析是很有必要的。

基于穩(wěn)態(tài)分析：90km/h高速工況；40km/h、坡度7%低速爬坡工況；怠速工況，在穩(wěn)態(tài)分析的基礎上進行瞬態(tài)分析[4]。將穩(wěn)態(tài)工況的對流換熱系數(shù)作為瞬態(tài)分析的邊界條件。進行瞬態(tài)分析計算。瞬態(tài)分析工況如下：

表2 瞬態(tài)分析工況

首先高速預跑10min，低速爬坡25min，最后怠速13min。

圖6 轉向系統(tǒng)

轉向機橡膠在低速爬坡階段升溫速率仿真值＞實驗值，怠速階段仿真值低于實驗值。轉向機表面高速工況仿真值＞實驗值，低速爬坡階段仿真值升溫速率＞實驗值，低速爬坡之怠速過渡階段仿真值低于實驗值。

圖7 球籠防塵罩

球籠防塵罩前低速爬坡工況仿真值＞實驗值，怠速工況仿真值＞實驗值。球籠防塵罩上仿真值均高于實驗值。

圖8 球籠防塵罩、保險盒

球籠防塵罩后高速階段仿真值＜實驗值，高速階段至低速爬坡階段過渡區(qū)域仿真生溫度率＜實驗值，低速爬坡至怠速階段過渡區(qū)域仿真值＞實驗值。保險盒仿真值＜實驗值。

圖9 電池、預催地板

電池負極仿真值＞實驗值。催化器地板上仿真值＜實驗值。

圖10 主催化器吊耳

主催化器吊耳司機側低速爬坡階段仿真值＞實驗值，怠速階段仿真值＞實驗值。主催化器吊耳副司機側仿真值＜實驗值，高速工況至怠速工況過渡區(qū)域升溫速率仿真值＞實驗值。

圖11 后消音器吊耳

后消音器前吊耳高速階段仿真值＜實驗值，高速至低速爬坡過渡區(qū)域仿真值升溫速率＞實驗值，怠速階段仿真值〈實驗值。后消音器后吊耳仿真值＜實驗值。

瞬態(tài)分析結果基本吻合，溫度趨勢基本一致，但由于瞬態(tài)仿真影響因素較多，加之部分位置由于仿真測點位置與實驗測點位置偏差，發(fā)動機及變速器未給溫度邊界條件，導致部分數(shù)據(jù)差值較大。

4 結論

穩(wěn)態(tài)分析工況仿真分析結果與實驗值基本吻合，部分由于測點位置偏差以及發(fā)動機及變速器等未添加熱源邊界條件，誤差較大。

瞬態(tài)分析工況，基本滿足瞬態(tài)分析趨勢，部分測點能夠反應出低速爬坡到怠速的高溫階段。由于瞬態(tài)影響因素較多，部分位置由于測點位置偏差，發(fā)動機未給溫度邊界條件，導致部分測點誤差較大。