商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)仿真與風(fēng)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)*

石 巖，李 耀，許佩佩

（1.徐州徐工汽車(chē)制造有限公司技術(shù)中心，徐州221600；2.南京航空航天大學(xué)民航/飛行學(xué)院，南京210016）

前言

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，重型商用車(chē)所匹配的國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量相對(duì)于國(guó)五柴油機(jī)顯著提升。而考慮美觀性、舒適性，前置商用車(chē)進(jìn)氣格柵面積與機(jī)艙空間被設(shè)計(jì)的越來(lái)越?。?］。同時(shí)，為了提升動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性，更多的發(fā)熱設(shè)備置于機(jī)艙內(nèi)，這些都對(duì)商用車(chē)的冷卻性能提出了更高的要求。因此，對(duì)機(jī)艙內(nèi)氣流的引導(dǎo)和流場(chǎng)特性研究很有必要，也逐漸成為商用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fliud dynamics，CFD）的應(yīng)用，使仿真技術(shù)成為一種快速、有效的研究手段［2］，國(guó)內(nèi)外研究人員已利用該技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作。

唐榮江等［3］對(duì)商用車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇的優(yōu)化，將風(fēng)扇噪聲降低2.7 dB。于淼淼等［4］在護(hù)風(fēng)圈選型方向開(kāi)展了大量工作，得出了護(hù)風(fēng)圈關(guān)鍵因子與風(fēng)量的關(guān)系。Patidar等［5］利用CFD技術(shù)對(duì)冷卻模塊的優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究。郭健忠等［6］利用一維/三維聯(lián)合仿真模擬機(jī)艙熱管理，并開(kāi)展了道路試驗(yàn)對(duì)標(biāo)工作。

大多數(shù)的研究工作適合于新車(chē)型設(shè)計(jì)階段開(kāi)展，而對(duì)于已開(kāi)發(fā)車(chē)型，須在設(shè)計(jì)變動(dòng)較小的情況下，有效提升冷卻性能。本文中在已開(kāi)發(fā)車(chē)型的標(biāo)配護(hù)風(fēng)圈基礎(chǔ)上增添一個(gè)導(dǎo)流罩，并通過(guò)CFD技術(shù)研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)量與熱風(fēng)回流量的影響，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式，并通過(guò)道路試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。

1 整車(chē)CFD仿真

整車(chē)氣動(dòng)性能標(biāo)定在吉林大學(xué)汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)使用1/4縮比模型，如圖1所示，建立相應(yīng)的仿真分析模型，如圖2所示，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。仿真得到的風(fēng)阻系數(shù)與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果誤差低于2%，圖4為沿車(chē)身長(zhǎng)度方向表面壓力系數(shù)CP仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖可見(jiàn)，兩者高度吻合，說(shuō)明計(jì)算精度滿(mǎn)足工程要求，所采用的模型和方法可用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)進(jìn)行仿真。

圖1 整車(chē)1/4縮比模型

圖2 仿真分析模型

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 表面壓力系數(shù)圖（中對(duì)稱(chēng)面）

2 機(jī)艙流場(chǎng)CFD仿真

2.1 控制方程

機(jī)艙內(nèi)冷卻空氣流速較低，溫度區(qū)間內(nèi)密度變化較小，因此，流場(chǎng)內(nèi)空氣可視為不可壓縮狀態(tài)，控制方程選用三維不可壓縮N-S方程。由于冷卻風(fēng)扇工作狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)抽吸作用引起的湍流和高旋度物理效應(yīng)，故選用κ-ε湍流模型進(jìn)行模擬［7］，數(shù)學(xué)模型從略。

2.2 模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

圖5和圖6分別為牽引車(chē)的仿真模型及其機(jī)艙流場(chǎng)仿真模型局部放大網(wǎng)格圖。保留機(jī)艙內(nèi)零部件，去除遮陽(yáng)板等對(duì)冷卻風(fēng)量計(jì)算影響較小的零部件，車(chē)架縱梁減重孔封閉，其他影響較小的管線(xiàn)路等去除，以降低網(wǎng)格數(shù)，提升計(jì)算效率。網(wǎng)格尺寸：前格柵為1~2 mm，空調(diào)冷凝器、中冷器、散熱器和散熱風(fēng)扇等為4~8 mm，車(chē)身其他位置與車(chē)架等部件為8~16 mm網(wǎng)格尺寸，遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格尺寸為200 mm，建立4層加密區(qū)域，邊界層網(wǎng)格數(shù)為3層，邊界層網(wǎng)格厚度為1 mm，體網(wǎng)格數(shù)量共約2 100萬(wàn)。

圖5 牽引車(chē)仿真模型

圖6 機(jī)艙仿真模型局部放大網(wǎng)格

2.3 仿真結(jié)果

采用軟件Starccm+進(jìn)行CFD仿真，原機(jī)（帶標(biāo)配護(hù)風(fēng)圈）機(jī)艙氣流仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 原機(jī)機(jī)艙氣流流線(xiàn)圖

可以看出，冷卻風(fēng)經(jīng)冷凝器、中冷器和散熱器加熱后由風(fēng)扇末端流出，由于受風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和發(fā)動(dòng)機(jī)前端的撞擊作用，反向流向散熱器上部及其左右側(cè)。受風(fēng)扇前后壓差的作用，回流再次進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，圖8更清楚地示出熱風(fēng)回流的情形。氣流依次循環(huán)，導(dǎo)致較差的冷卻效果。

圖8 熱風(fēng)回流示意圖

3 導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為解決熱風(fēng)回流問(wèn)題，改善冷卻效果，在原標(biāo)配護(hù)風(fēng)圈的基礎(chǔ)上，增添一段導(dǎo)流罩，其示意圖如圖9所示。

圖9 導(dǎo)流罩剖面示意圖

整個(gè)導(dǎo)流罩剖面分為A、B段。因風(fēng)扇與散熱器距離固定，故b為定值120 mm；內(nèi)徑d也為定值775 mm；a、h、H為可變參數(shù)。

初始設(shè)計(jì)方案為：a=90 mm，b（定值）=120 mm，H=83 mm，h=0。通過(guò)調(diào)節(jié)a、h、H3個(gè)可變?cè)?，共設(shè)計(jì)14種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 h因子影響性

h因子主要涉及導(dǎo)流罩B段的斜角。以5 mm為間隔，調(diào)整h因子大小，計(jì)算結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 h因子對(duì)冷卻風(fēng)量的影響

圖11 h因子對(duì)熱風(fēng)回流量的影響

由圖10可見(jiàn)：導(dǎo)流罩B段由下壓至水平，再至上翹的過(guò)程中，隨著h的增大，冷卻風(fēng)量呈先減少后增大，最后平穩(wěn)，雖在h=5 mm時(shí)，冷卻風(fēng)量有個(gè)最大值，但數(shù)據(jù)變化量很小，差別不足1%；由圖11可見(jiàn)，隨著h的增大，熱風(fēng)回流量呈現(xiàn)先減小后持續(xù)增大的趨勢(shì)，h=0時(shí)，熱風(fēng)回流量最小。

3.2 H因子的影響

H因子主要影響A段的斜角。在原有基礎(chǔ)上，H因子增大15 mm，計(jì)算結(jié)果顯示，冷卻風(fēng)量提升僅0.3%，熱風(fēng)回流量?jī)H降低0.2%。因負(fù)方向調(diào)整空間有限，故不作調(diào)整。

3.3 a因子的影響

a因子影響A段長(zhǎng)度和B段的長(zhǎng)度和斜角。以10 mm為間隔，調(diào)整a因子長(zhǎng)度值，計(jì)算結(jié)果如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可見(jiàn)：其他量不變時(shí)，a因子存在最優(yōu)值，當(dāng)a為60 mm時(shí)，冷卻風(fēng)量提升的同時(shí)，伴隨較少的熱風(fēng)回流現(xiàn)象。

圖12 a因子對(duì)冷卻風(fēng)量的影響

圖13 a因子對(duì)熱風(fēng)回流量的影響

綜合考慮空間布置和散熱性能，導(dǎo)流罩各參數(shù)選定為：a=60 mm、H=98 mm、h=0，仿真得到的機(jī)艙氣流流線(xiàn)圖如圖14所示。與圖7對(duì)比可見(jiàn)，增加導(dǎo)流罩后，熱風(fēng)回流現(xiàn)象得到較好的抑制，熱風(fēng)回流量降低約40.45%，并伴有冷卻風(fēng)量提升約2%的效果。

圖14 加裝導(dǎo)流罩后的流線(xiàn)圖

3.4 風(fēng)扇速比提升的影響

為對(duì)比導(dǎo)流罩的效果，同時(shí)對(duì)風(fēng)扇速比提升的影響做了一定的分析，計(jì)算結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 不同風(fēng)扇速比下的冷卻風(fēng)量

圖16 不同風(fēng)扇速比下的熱風(fēng)回流量

計(jì)算結(jié)果表明：冷卻風(fēng)量和熱風(fēng)回流量都隨著風(fēng)扇速比增大而提升。冷卻風(fēng)量提升所帶來(lái)的散熱性能提升會(huì)被熱風(fēng)回流現(xiàn)象而抵消。

為進(jìn)一步驗(yàn)證導(dǎo)流罩、風(fēng)扇速比對(duì)散熱性能的提升效果，通過(guò)熱平衡道路試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 模型設(shè)計(jì)與試制

按照計(jì)算方案確定的參數(shù)，繪制基本模型，根據(jù)原車(chē)狀態(tài)，預(yù)留水管和氣管通道。表面設(shè)置加強(qiáng)筋以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用3D打印技術(shù)快速成型，數(shù)模和試裝如圖17和圖18所示。

圖17 導(dǎo)流罩?jǐn)?shù)模

圖18 快成件試裝

4.2 道路測(cè)試與結(jié)果分析

按照?qǐng)D19所示位置安裝溫度傳感器，試驗(yàn)樣車(chē)用牽引繩拖帶一輛礦用載貨車(chē)連接，如圖20所示。樣車(chē)使用2擋牽引行駛，礦用車(chē)按要求適應(yīng)行駛，逐漸加載，樣車(chē)油門(mén)踩到底時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)過(guò)程中樣車(chē)保持勻速直線(xiàn)行駛，連續(xù)5 min各冷卻介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值不再變化時(shí)，車(chē)輛達(dá)到熱平衡，停止試驗(yàn)，保存各參數(shù)數(shù)據(jù)（雙向分別行駛，取平均值），試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖19 傳感器安裝位置

圖20 熱平衡試驗(yàn)

表1 道路測(cè)試結(jié)果 ℃

風(fēng)扇速比由1.218提升至1.3，極限環(huán)境使用溫度僅提升1.9℃。分析原因：雖冷卻風(fēng)量大幅提升，但熱風(fēng)回流量同步提升，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)品質(zhì)下降（冷凝器前部溫度較環(huán)境溫度仍高6℃以上），且伴有功耗增大、風(fēng)扇離合器壽命降低的風(fēng)險(xiǎn)。

所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流罩具有較好的導(dǎo)流效果，回流區(qū)溫度較環(huán)境溫度僅高2℃左右，許用極限環(huán)境溫度提升3.4℃，冷卻效果提升較理想，且對(duì)功耗和相關(guān)附件使用壽命無(wú)影響。

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬技術(shù)可以快速、有效地進(jìn)行機(jī)艙流場(chǎng)特性研究和散熱性能的優(yōu)化，從而降低車(chē)輛在大轉(zhuǎn)矩工況下水溫過(guò)高引起的“開(kāi)鍋”風(fēng)險(xiǎn)。

（2）熱風(fēng)回流現(xiàn)象嚴(yán)重影響車(chē)輛散熱性能，需要抑制風(fēng)扇末端熱風(fēng)返流現(xiàn)象，增添導(dǎo)流罩能較好地引導(dǎo)熱風(fēng)流向車(chē)輛后方區(qū)域，從而提升散熱性能。

（3）導(dǎo)流罩的效果受多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)匹配CFD技術(shù)，可快速得到較優(yōu)方案。