基于一維/三維耦合分析的某MPV整車熱管理分析與優(yōu)化

胡錫挺

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，對(duì)汽車的性能有了更高要求。成本低效率高的仿真手段普遍應(yīng)用到車輛的設(shè)計(jì)研發(fā)中。其中整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置零部件較多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)在艙內(nèi)形成高溫環(huán)境，容易會(huì)影響其他部件性能。艙內(nèi)各部件的布置不合理會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源部件在局部形成過(guò)熱環(huán)境，使部分零部件性能下降，發(fā)生失效、自燃等影響整車的可靠性能、安全性能。所以，為了保證汽車高效可靠運(yùn)行，在車輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理系統(tǒng)研究，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以及布置是非常重要的[1]。

通過(guò)一維/三維結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用，以某MPV的發(fā)動(dòng)機(jī)艙為研究對(duì)象，分析零部件的熱害以及匹配冷卻散熱模塊，通過(guò)結(jié)果分析，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)并提出優(yōu)化方案以及再次仿真分析，最后通過(guò)臺(tái)架進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果。

1 模型建立及分析

1.1 三維模型建立與機(jī)艙流場(chǎng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的主要分析對(duì)象為其艙內(nèi)的零部件,為了提高效率,清除不必要的特征，刪掉了乘員艙的零部件[2]，嚴(yán)格控制好幾何邊界。同時(shí)，為了真實(shí)反映氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件下的流動(dòng)特性，需要盡可能保證機(jī)艙內(nèi)的零部件功能正常發(fā)揮，本研究最大限度保留原有各零部件完成模型，如圖1、2所示。從分析角度考慮，需要對(duì)冷卻模塊進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，芯體部分使用方體替換；在建立三維仿真計(jì)算域時(shí)，虛擬風(fēng)洞的阻塞效應(yīng)和洞壁干擾對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不能忽略，應(yīng)同步考慮[3]，通過(guò)在star ccm+建立計(jì)算域（圖3），生成網(wǎng)格并完成計(jì)算。

圖1 整車3D模型1

圖2 整車3D模型2

圖3 計(jì)算域示意圖

主要仿真模擬怠速、爬坡和高速3個(gè)工況，簡(jiǎn)化的冷卻模塊設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，風(fēng)扇使用MRF模型進(jìn)行模擬，完成計(jì)算得到如圖4至圖6的結(jié)果。

圖4 中冷器風(fēng)速分布圖

圖5 冷凝器風(fēng)速分布圖

圖6 散熱器風(fēng)速分布圖

圖4至圖6是冷卻模塊表面的在各個(gè)工況下的風(fēng)速分布圖，平均風(fēng)速見(jiàn)表1。主要受到冷卻系統(tǒng)的排布以及艙內(nèi)布置位置的影響，對(duì)風(fēng)速的分布情況的掌握才能合理布置艙內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)部件。

表1 冷卻系統(tǒng)的平均風(fēng)速（m/s）

計(jì)算得到的冷卻模塊各部件的風(fēng)量分配（表2）為進(jìn)一步分析提供了數(shù)據(jù)。

表2 冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量情況（m3/s）

1.2 整車一維仿真

按圖7的原理一維冷卻系統(tǒng)原理建立仿真模型，主要計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一些宏觀參數(shù)，包括冷卻部件的散熱功率、平衡水溫、冷卻液流量及分布、風(fēng)的溫度等；根據(jù)表2的風(fēng)量分布情況，結(jié)合格柵開(kāi)口率為16.1%，分析冷卻系統(tǒng)性能。結(jié)果見(jiàn)表3。在怠速、爬坡、高速3種工況下系統(tǒng)平衡水溫分別為79.48℃、111℃、103.6℃。冷卻系統(tǒng)各零部件冷卻液流量分配見(jiàn)表4，在怠速工況，系統(tǒng)的流量為6.5 L/min，按照經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)在怠速工況下的流量一般在20 L/min左右，所以此工況下系統(tǒng)流量偏小。在爬坡和高速工況下，節(jié)溫器全開(kāi)，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，暖風(fēng)芯體在節(jié)溫器全開(kāi)時(shí)，通過(guò)的水量是總量的10%~20%，從表4中數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)暖風(fēng)機(jī)的水量基本合理。表5為通過(guò)、中冷器、冷凝器、散熱器后的空氣溫度情況，由數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)生的最高溫度是爬坡工況下通過(guò)散熱器后的空氣溫度103.5℃，散熱器的出風(fēng)溫度合理。

表3 各工況下的平衡水溫

表4 各部件的水流量

圖7 冷卻原理圖

表5 冷卻系統(tǒng)各部件后風(fēng)溫

2 整車三維熱害分析及優(yōu)化

通過(guò)以上分析可知，汽車行駛中溫度比較惡劣的情況出現(xiàn)在爬坡工況，因此分別模擬了40 km/h、120 km/h兩種車速下的爬坡工況，使用臺(tái)架數(shù)據(jù)以及一維仿真結(jié)果作為輸入條件參數(shù)，通過(guò)三維仿真，分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)情況，對(duì)存在熱害的零部件提出優(yōu)化方案，再次仿真計(jì)算，得到優(yōu)化后結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算得到艙內(nèi)各零部件的三維溫度場(chǎng)分析結(jié)果見(jiàn)表6，由表中數(shù)據(jù)可知，超溫情況主要發(fā)生在低速爬坡工況，前圍制動(dòng)油管及管夾、發(fā)動(dòng)機(jī)線束、暖風(fēng)水管以及空調(diào)管部件等表面溫度超過(guò)極限溫度。

結(jié)合表6，由圖8可知，在爬坡工況下前圍制動(dòng)油管及管夾表面的溫度達(dá)到了133℃，不滿足其許用最高極限溫度120℃，存在熱害風(fēng)險(xiǎn)，從溫度分布位置可判斷制動(dòng)油管表面的高溫來(lái)自于排氣系統(tǒng)的輻射。由圖9可知，發(fā)動(dòng)機(jī)線束表面溫度達(dá)到135℃，超過(guò)了其許用溫度100℃，存在熱害風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合周圍空氣溫度分布情況分析，主要受到排氣管的輻射導(dǎo)致局部超溫。由圖10可知，暖風(fēng)水管表面溫度達(dá)到138℃，超過(guò)了其許用溫度130℃，存在熱害風(fēng)險(xiǎn)，從溫度分布知表面熱源來(lái)自周圍空氣換熱以及排氣管輻射。由圖11可知，空調(diào)管局部表面溫度超過(guò)了其許用溫度110℃，達(dá)到153℃，存在熱害風(fēng)險(xiǎn)。

表6 三維熱害分析結(jié)果

圖8 前圍制動(dòng)油管及管夾表面溫度分布

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度分布

圖10 暖風(fēng)水管表面溫度分布

圖11 空調(diào)管表面溫度分布

3 優(yōu)化方案

根據(jù)三維溫度場(chǎng)的分析結(jié)果，對(duì)超溫部件做出優(yōu)化方案（圖12至圖15），避免發(fā)生整車熱害風(fēng)險(xiǎn)：

（1）對(duì)前圍制動(dòng)油管及管夾表面超溫部位包覆鋁箔，以降低熱輻射的影響。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)線束表面高溫來(lái)自排氣管高溫輻射，在渦輪增壓上方增加隔熱罩，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)線束的位置重新布置或者局部包覆鋁箔。

（3）在暖風(fēng)水管局部位置包覆鋁箔可以達(dá)到排除熱害的目的。

（4）由于空調(diào)管表面的高溫氣體主要來(lái)自于流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的熱空氣，對(duì)高溫局部表面包裹鋁箔，隔絕外部氣溫的影響，可達(dá)到降溫目的。

圖12 前圍制動(dòng)油管及管夾溫度分布

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)線束表面溫度分布

圖14 暖風(fēng)水管表面溫度分布

圖15 空調(diào)管表面溫度分布

由表7可知，經(jīng)優(yōu)化后前圍制動(dòng)油管及管夾、發(fā)動(dòng)機(jī)線束、暖風(fēng)水管、空調(diào)管等存在熱害風(fēng)險(xiǎn)的零部件的最高極限溫度，降低到了許用最高極限溫度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為優(yōu)化后方案滿足整車熱管理要求。

表7 優(yōu)化前、后的結(jié)果對(duì)比

4 熱平衡試驗(yàn)及試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比

為了檢測(cè)實(shí)際工況下整車各零部件的工作溫度范圍，本次利用試驗(yàn)樣車開(kāi)展了相應(yīng)的環(huán)境模擬的熱平衡試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證整車?yán)鋮s散熱能力是否滿足要求，以及仿真結(jié)果的可行性，避免整車發(fā)生熱害風(fēng)險(xiǎn)影響汽車性能。樣車在環(huán)模模擬實(shí)驗(yàn)室分別以三種工況（怠速、勻高速和爬坡）進(jìn)行試驗(yàn)（圖16至圖18）。爬坡：環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，試驗(yàn)車以二擋（手動(dòng)擋）或者40 kph的車速爬10%坡，水溫達(dá)到平衡或者30 min后，熄火靜置，所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和各零部件溫度。怠速：在45℃的環(huán)境下，以50 km/h車速行駛20 min后停車，怠速運(yùn)行至水溫平衡后熄火靜置，所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和各零部件溫度。勻高速：在45℃的環(huán)境下以140 km/h車速至水溫平衡或者30 min后熄火靜置，所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫和各零部件溫度。圖19所示是爬坡工況的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線，浸置后水溫平衡至111℃，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)限值要求。

圖16 試驗(yàn)室布局

圖17 試驗(yàn)臺(tái)架

圖18 發(fā)動(dòng)機(jī)周圍布置

圖19 爬坡工況發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線

實(shí)車熱平衡試驗(yàn)部分零部件試驗(yàn)值見(jiàn)表8，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為前期仿真結(jié)果提供了驗(yàn)證依據(jù)，從試驗(yàn)結(jié)果跟仿真結(jié)果的對(duì)比上看，仿真結(jié)果值與試驗(yàn)結(jié)果值一致性較高，可見(jiàn)，一維與三維耦合分析方法是可行的。

表8 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

（1）利用仿真軟件，通過(guò)分析在設(shè)計(jì)前期預(yù)測(cè)散熱風(fēng)險(xiǎn)的存在，并進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的整車進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，在爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡水溫111℃，滿足了設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化的方案的有效果，可以達(dá)到降低零部件熱害風(fēng)險(xiǎn)目的。

（2）在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，使用一維/三維仿真分析方法可以預(yù)測(cè)機(jī)艙的溫度情況，有利于整車?yán)鋮s散熱模塊的性能匹配，合理布置各系統(tǒng)，有效規(guī)避熱害風(fēng)險(xiǎn)。

（3）通過(guò)仿真分析跟樣車試驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果，驗(yàn)證了一維/三維仿真手段的可靠性和精確度，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段合理應(yīng)用可以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高工作效率。