SUV發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)仿真模型及其改進(jìn)方案

蔡祥鵬，童俊煒

(泉州師范學(xué)院 航海學(xué)院，福建 泉州 362000)

隨著人們對(duì)車輛各項(xiàng)性能要求的提高，半封閉空間的發(fā)動(dòng)機(jī)艙集成了更多的系統(tǒng)和元件，結(jié)構(gòu)的緊湊布置使艙內(nèi)空間減少，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱平衡帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)汽車機(jī)艙熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、樣車驗(yàn)證的方法，需要多次設(shè)計(jì)修改和反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證才能最終完成開(kāi)發(fā)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期采用仿真計(jì)算方法進(jìn)行車輛熱管理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和成本，因此得到主要生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)的廣泛使用[3]。熱管理仿真計(jì)算軟件目前主要有一維溫度仿真和三維流體仿真2種。上海理工大學(xué)利用三維CFD軟件對(duì)某車輛發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真,設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合[4]；東南汽車公司利用STAR-CCM+軟件對(duì)某車進(jìn)行冷卻熱害分析，并為車輛加裝導(dǎo)流板[5]。在一維仿真研究方面，成曉北等[6]采用Flowmaster軟件對(duì)某柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)循環(huán)、熱平衡狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行仿真，并通過(guò)與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行方案優(yōu)化。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理逐漸采用一維和三維聯(lián)合仿真分析，這種方法解決了一維仿真的計(jì)算精度差和細(xì)節(jié)獲取困難問(wèn)題，同時(shí)還對(duì)三維仿真的參數(shù)設(shè)定、計(jì)算耗時(shí)和邊界條件獲取等問(wèn)題的解決有所幫助[2]。唐友名等[3]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理進(jìn)行一維/三維聯(lián)合仿真，通過(guò)改進(jìn)防撞梁提高進(jìn)風(fēng)量，降低嚴(yán)苛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度；邱颯蔚等[7]對(duì)某SUV的空-空中冷器進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)換熱研究，分別進(jìn)行一維仿真、三維仿真、一維和三維聯(lián)合仿真，并比較3種仿真結(jié)果與試驗(yàn)的相對(duì)誤差，驗(yàn)證了中冷器雙流模型仿真的可行性。

本文用三維流體和一維溫度的聯(lián)合仿真方法對(duì)某SUV發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行冷卻熱害分析，通過(guò)三維模型計(jì)算出中冷器、水箱(即散熱器)空氣側(cè)(其中包括迎風(fēng)面和背風(fēng)面)的壓力、風(fēng)量(或流速)，同其他設(shè)定參數(shù)一起作為一維仿真的邊界條件，對(duì)一維溫度進(jìn)行仿真；若一維仿真分析輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度和進(jìn)氣溫度不符合要求，則改進(jìn)中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量數(shù)值加以試錯(cuò)，反復(fù)重復(fù)上述過(guò)程，直至達(dá)到要求為止。重點(diǎn)分析車輛在高速爬坡和中低速爬坡嚴(yán)苛工況下的冷卻能力，對(duì)存在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)提出改進(jìn)方案，計(jì)算和分析發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度和水溫，以減少試驗(yàn)次數(shù)和費(fèi)用，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

1 機(jī)艙熱管理三維仿真分析

1.1 三維仿真模型搭建

STAR-CCM+軟件采用先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值計(jì)算技術(shù)，是進(jìn)行三維熱流體CFD仿真分析的有力工具。該軟件不僅可以對(duì)三維空間空氣等各種流體介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行分析，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)和其他物理場(chǎng)進(jìn)行分析。本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙三維熱管理仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的散熱情況進(jìn)行系統(tǒng)性的模擬分析和評(píng)估。由于建模中所有影響氣流分布和走向的部件都必須保留，因此需要搭建整車模型，其中包括車身外表面、底盤(pán)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、機(jī)艙內(nèi)部元件等。在滿足工程精度條件下，可以適當(dāng)忽略機(jī)艙內(nèi)部的一些小元件(如直徑細(xì)小的管路線束、螺母等)的影響。

仿真中體網(wǎng)格采用Trimmer(切割體)網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)變化影響較大的區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)絡(luò)劃分，如圖1所示。選擇足夠大的計(jì)算域尺寸，可以保證氣流平穩(wěn)、減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的影響、保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。設(shè)定風(fēng)洞區(qū)域長(zhǎng)17 m、寬10 m、高5 m，如圖2所示。為了更好地捕捉機(jī)艙內(nèi)部實(shí)際氣流運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)艙內(nèi)部區(qū)域和拉伸邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密處理(見(jiàn)圖3)。采用2層增長(zhǎng)率為1.3、厚度為2 mm的邊界層；同時(shí)，考慮地面效應(yīng)，地面采用12層增長(zhǎng)率為1.3、總厚度為50 mm的邊界層，最終生成的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)2 800萬(wàn)個(gè)。

1.2 邊界條件及工況設(shè)定

1.2.1 氣體流場(chǎng)模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流流速不高且密度變化小，計(jì)算域中的流體可視為黏性定常不可壓縮流體。因汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙復(fù)雜構(gòu)造易引起氣流分離，故選用Realizable K-ε模型來(lái)模擬汽車外流情況，以適應(yīng)于邊界層及剪切流流動(dòng)[1,8]。K-ε模型廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的湍流運(yùn)動(dòng)分析，湍流運(yùn)動(dòng)需滿足下列3個(gè)流動(dòng)和傳熱的基本方程。

1)質(zhì)量守恒方程：

(1)

其中：ρ為空氣密度，值為1.184 kg/m3；ui為空氣速度在i方向上的分量。

2)動(dòng)量守恒方程：

(2)

其中：uj為空氣速度在j方向上的分量；p為空氣靜壓力；σij為應(yīng)力矢量；gi為在i方向上的重力分量；Si為在3個(gè)方向上動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

3)能量守恒方程：

(3)

其中：T為空氣溫度；k為分子傳導(dǎo)率；ki為因湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積元。

1.2.2 散熱模型

汽車換熱器冷卻模塊包含散熱器、冷凝器、風(fēng)扇和中冷器。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和節(jié)約成本，用MRF方法對(duì)獨(dú)立風(fēng)扇區(qū)域進(jìn)行模擬，采用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化處理方法來(lái)設(shè)定換熱器冷卻模塊各零部件的阻力系統(tǒng)[9-10]。冷卻系統(tǒng)布置如圖4所示。

1.2.3 工況設(shè)定

仿真過(guò)程采用真實(shí)的試驗(yàn)條件，環(huán)境溫度為40 ℃，動(dòng)力黏性系數(shù)為1.789×10-5Pa·s。仿真風(fēng)洞入口采用速度入口邊界，計(jì)算域出口采用壓力出口(表壓為0 Pa)，入口邊界參數(shù)的湍流強(qiáng)度定為1%，空調(diào)全開(kāi)，湍流耗散比為10。選取整車熱平衡試驗(yàn)中較為嚴(yán)苛的中低速爬坡和高速爬坡工況，具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真工況參數(shù)設(shè)定

1.3 三維仿真結(jié)果分析

根據(jù)工況設(shè)定，運(yùn)用STAR-CCM+軟件劃分網(wǎng)格、調(diào)整相關(guān)數(shù)值進(jìn)行仿真計(jì)算，得到爬坡工況下的機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)圖(Y向截面和Z向截面)如圖5所示。由圖5和表2可以看出：在中低速工況下，冷凝器進(jìn)風(fēng)速度分布不均勻，冷凝器下方(圖5a)和冷凝器左右兩邊(圖5b)都出現(xiàn)氣流泄漏現(xiàn)象，這導(dǎo)致后邊緣側(cè)氣流滾動(dòng)不良，且會(huì)產(chǎn)生熱回流；散熱器的風(fēng)速分布不均勻，其邊緣處有風(fēng)速死區(qū)；中冷器兩側(cè)存在氣流泄漏問(wèn)題(圖5b)，進(jìn)入機(jī)艙的氣流通過(guò)其左側(cè)(圖示方向)后回到冷卻模塊前方，減少了進(jìn)風(fēng)量。從仿真結(jié)果導(dǎo)出的冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量(見(jiàn)表2)可知，在兩種工況下，中冷器進(jìn)風(fēng)量都偏小，進(jìn)而降低了冷卻性能和換熱效率。

表2 冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值 單位：kg/s

2 冷卻系統(tǒng)一維仿真分析

2.1 一維仿真模型搭建和聯(lián)合計(jì)算

KULI軟件是一款一維熱管理設(shè)計(jì)和仿真軟件，它通過(guò)建模集成零部件單品測(cè)試數(shù)據(jù)和臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算并調(diào)整參數(shù)，用來(lái)評(píng)估不同空間布置方案的優(yōu)劣性和系統(tǒng)零部件性能的匹配度。采用KULI軟件建立的機(jī)艙冷卻系統(tǒng)一維仿真模型如圖6所示。利用該模型可進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的整體布置以及熱負(fù)荷計(jì)算：用三維流體仿真獲得機(jī)艙冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量、流速和空氣側(cè)溫度，作為一維溫度仿真的輸入?yún)?shù)，并被代入一維仿真模型中進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算求解；從發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，尋找對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，換算得到一維仿真所需工況參數(shù)(見(jiàn)表3)。一維冷卻系統(tǒng)模型主要包括空氣側(cè)和內(nèi)部循環(huán)側(cè)(見(jiàn)圖4):空氣側(cè)為外側(cè)空氣在冷卻系統(tǒng)間的流通過(guò)程；內(nèi)部循環(huán)側(cè)是以冷卻水的內(nèi)循環(huán)、中冷器內(nèi)循環(huán)和空調(diào)循環(huán)構(gòu)成，主要為換熱器內(nèi)部高溫流體的流動(dòng)循環(huán)過(guò)程。

表3 一維仿真輸入主要工況參數(shù)

2.2 一維仿真結(jié)果

用一維溫度仿真進(jìn)行計(jì)算和求解，得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙運(yùn)行時(shí)的冷卻系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的評(píng)價(jià)參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和進(jìn)出水溫度)，如表4所示。從表4可知：在中低速爬坡工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度超出110 ℃的許用范圍；而在高速爬坡工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度和進(jìn)氣溫度均超出許用范圍(進(jìn)氣許用溫度為55 ℃)，不滿足冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、進(jìn)出水溫度一維仿真結(jié)果 單位：℃

3 仿真與改進(jìn)

因?yàn)橐痪S仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度或水溫中的某個(gè)結(jié)果超標(biāo)，所以需不斷改進(jìn)中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量數(shù)值并試錯(cuò)，最終使得發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和進(jìn)氣溫達(dá)到要求，再將得到的冷卻系統(tǒng)側(cè)最低進(jìn)風(fēng)量數(shù)值作為三維仿真的目標(biāo)[11]。當(dāng)三維仿真結(jié)果滿足最低進(jìn)風(fēng)量要求后，再次代入一維模型中進(jìn)行校核驗(yàn)證，最終以一維仿真輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度和進(jìn)氣溫度作為考核目標(biāo)，如此進(jìn)行三維流體和一維溫度聯(lián)合仿真計(jì)算。

3.1 方案改進(jìn)

綜合前文的三維和一維仿真分析，從三維流體的機(jī)艙內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)流線圖和一維溫度場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，目前的機(jī)艙冷卻系統(tǒng)性能存在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，需要從發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度和進(jìn)氣溫度過(guò)高著手，結(jié)合機(jī)艙內(nèi)總成布置進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

1)針對(duì)機(jī)艙前端氣流泄漏問(wèn)題，在冷凝器與散熱器之間增加密封條以堵住漏風(fēng)，同時(shí)在中冷器四周增加導(dǎo)風(fēng)板以提高冷卻效率，如圖7所示。

如圖8所示，改進(jìn)后的機(jī)艙內(nèi)部冷卻模塊的回流情況大為改善；由表5可知，兩種工況下各元件的進(jìn)風(fēng)量也有所增加。改進(jìn)前后的各元件的平均風(fēng)速值對(duì)比見(jiàn)表6，其中平均風(fēng)速數(shù)值表明改進(jìn)方案能使冷卻性能顯著提升。

表5 改進(jìn)后各元件的進(jìn)風(fēng)量 單位：kg/s

表6 各元件平均風(fēng)速 單位：m/s

2)針對(duì)中冷器進(jìn)風(fēng)量偏小問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。中冷器的作用是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，為了提高進(jìn)風(fēng)量，將中冷器芯體厚度由原來(lái)的65 mm增加到82 mm，中冷器換熱效率顯著提升，其仿真后的換熱曲面見(jiàn)圖9。

3.2 迭代和驗(yàn)證

更新中冷器冷和熱兩側(cè)空氣的流動(dòng)特性、熱特性參數(shù)后，代入改進(jìn)方案后的冷卻模塊中計(jì)算進(jìn)風(fēng)量，重新進(jìn)行一維仿真分析，得到2種工況下的進(jìn)氣溫度和進(jìn)出水溫度，如表7所示。表7中的結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)以上2個(gè)方案改進(jìn)后，機(jī)艙冷卻系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、進(jìn)出水溫度的一維仿真結(jié)果 單位：℃

在后繼工裝樣車階段，在環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)，全面測(cè)試驗(yàn)證整車?yán)鋮s、熱害水準(zhǔn)。對(duì)2種嚴(yán)苛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、進(jìn)出水溫度等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了三維流體和一維溫度聯(lián)合仿真的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用STAR CCM+仿真軟件進(jìn)行三維流體計(jì)算，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部空氣流動(dòng)狀況，同時(shí)獲取冷卻模塊的空氣側(cè)風(fēng)量、壓力等數(shù)據(jù)作為一維溫度仿真的輸入?yún)?shù)。利用KULI仿真軟件獲取冷卻模塊的表面溫度，通過(guò)三維熱流場(chǎng)計(jì)算，對(duì)機(jī)艙內(nèi)部冷卻系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行改進(jìn)，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、進(jìn)出水溫度的計(jì)算結(jié)果符合一維輻射溫度場(chǎng)情況，滿足設(shè)計(jì)要求；與整車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性、一維和三維聯(lián)合仿真分析的置信度。