基于STAR-CCM+和KULI的某重型商用車熱平衡仿真分析

0 引言

商用車在人們交通運輸中被廣泛運用，隨著人們認知水平的提升和對高品質產品的需求，司機對車輛的可靠性、經濟性、動力性等方面都有很高的要求

。重型商用車的熱管理既要考慮對發(fā)動機可靠性、經濟性等因素的影響，還要兼顧進氣格柵、機艙零部件的設計布置等

。目前，重卡柴油機主要還是以對流換熱作為主要的冷卻方法，可以通過改變散熱器、中冷器、風扇的形狀、尺寸等方法有效改善車輛的冷卻能力，從而滿足熱平衡的要求

。冷卻模塊的選型及布置直接關系到整車的散熱能力，并且影響發(fā)動機的可靠性，所以選擇合適的冷卻模塊至關重要。

熱平衡分析主要針對散熱器、中冷器、風扇這三個部件以及柴油機機艙布置，散熱器的極限使用環(huán)境溫度和中冷器的進氣溫升直接影響車輛在高溫環(huán)境下的性能。重卡柴油機運行工況復雜多變，冷卻系統(tǒng)的匹配至關重要，既要保證車輛能夠正常行駛，也要保證良好的經濟性、動力性、可靠性

。目前，整車熱管理的方案主要包括對中冷散熱、風扇、進風格柵、機艙布置等的優(yōu)化匹配。對優(yōu)化方案的分析驗證，可以通過傳統(tǒng)的試驗方法，也可以通過仿真研究的方法

。隨著仿真技術的不斷成熟，該方法既能得到有效可靠的結果，還能節(jié)約時間和成本

。

為了使仿真計算準確高效，本文將三維流體力學計算分析軟件(CFD)STAR-CCM+與一維軟件KULI相結合，對某重型柴油機商用車進行熱平衡仿真分析

。首先，在STAR-CCM+搭建整車三維模型進行流動計算，分析其壓力場、速度場，并提取冷卻模塊表面速度分布及壓力系數。然后，將以上結果做為KULI 軟件的輸入，結合柴油機的各參數以及各個換熱模塊的性能參數進行熱平衡計算。比較試驗結果與計算結果

，證明以上方法準確高效，此外提出散熱中冷的改進方案，提升整車熱平衡能力。

交際情境的創(chuàng)設是交際的首要條件。蘇霍姆林斯基說：“兒童是用表象、色彩、聲音來思維的?！睂Τ錆M樂趣的事物或情節(jié)，孩子們往往有很大的興趣，并樂于參與。因此，我們可以創(chuàng)設合理、有趣的情境，對學生進行口語交際的訓練。

1 STAR-CCM+三維計算

1.1 三維模型

某柴油機商用車整體選用的是全尺寸模型，由于整車及發(fā)動機的零部件數量較多且布置緊湊，故在不影響模型計算精度的前提下，對計算模型進行了部分零部件的刪除簡化，以便縮短計算收斂時間。最終將三維模型布置在STAR-CCM+計算流場中，如圖1所示，整車模型中，長L寬W高H，其中流場區(qū)域總長度為11L，總寬度為8W，總高度為6H，其中車前約為4L，車后約為7L。冷卻系統(tǒng)的選型布置需要考慮整車的空間及發(fā)動機的性能，如圖2為該柴油機商用車中冷器、散熱器、風扇三維布置圖，其中中冷器迎風面積與散熱器迎風面積比例如圖所示，風扇直徑790mm。

1.2 網格劃分

將上述仿真結果與試驗結果進行對比，分析散熱器中冷器的冷卻效果，對比結果見表4和表5，兩結果相差不大，進氣溫升和極限使用環(huán)境溫度的差值均在1℃以內，說明該仿真計算方法誤差較小，可用于后續(xù)開發(fā)過程中冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

1.3 邊界設置

如圖4是柴油機商用車在流場中橫截面的速度分布，該速度分布云圖選取的是風扇轉速1624 r/min(1.16倍發(fā)動機轉速)。圖中可看出，在風扇作用下，空氣依次流經車頭格柵、中冷器、散熱器，為了提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，在整車布置時應當盡量避免熱風回流。

由于整車結構、進氣格柵形狀、發(fā)動機機艙空間大小、換熱模塊整體尺寸及管路布置方式等的影響，換熱模塊表面速度分布通常都存在差異，為了使計算結果更接近真實情況，我們通常將換熱模塊模型分成多個區(qū)域，運用三維計算軟件STAR-CCM+得到速度分布，然后在KULI中添加并編輯阻力矩陣。根據該整車匹配的散熱器性能、中冷器性能參數，風扇性能參數，在KULI軟件中建立散熱器、中冷器、風扇模型，圖6為散熱器性能MAP，圖7為中冷器性能MAP。

Δ

=

+

式中：

即換熱器冷側壓力梯度，Pa；

即粘性項阻力系數；

即慣性項阻力系數；

為冷測空氣流速。

用以上方法即可建立兩換熱器多孔介質模型，通過交界面連接該模型與外部模型，相關數據見表1。

美國哈佛大學教授、發(fā)展心理學家加德納認為：“智力的結構是多元的，包括語言智能、邏輯數學智能、空間智能、身體運動智能、音樂智能、人際交往智能、自然智能等?！焙推胀ㄖ袑W相比，職業(yè)中學學生的智能往往帶有較強的專業(yè)色彩，如旅游專業(yè)的學生往往具有較強的視覺空間能力，對風俗民情、歷史文化、名勝古跡、風光景物很感興趣；計算機專業(yè)的學生邏輯數學智能、空間智能強，對編程、歸類感興趣；電工電子專業(yè)的學生身體運動智能強，善于動手實踐、革新創(chuàng)造……職中學生的學習風格是多樣而復雜的，這為實施個性化教學提供了條件。

1.4 計算分析

整個流場的進出口分別設置為速度進口和壓力出口，進口速度設置為20km/h，流場的其他外表面設為壁面。為了有效地模擬的風扇的旋轉狀態(tài)，采用MRF(多參考坐標)的方法，在風扇表面設置邊界，區(qū)分風扇運動區(qū)域，該區(qū)域采用旋轉坐標系，模擬風扇旋轉，計算結果更真實有效。在模型中，從車頭方向向后依次是中冷器、散熱器、風扇，風扇吸風增大進氣量，提高散熱能力。風扇速比采用1.16，發(fā)動機轉速分別為900r/min、1100 r/min 、1400 r/min 、1900 r/min。

2 KULI一維計算

2.1 一維模型

以上三維軟件STAR-CCM+與一維軟件KULI相結合計算并研究重型車的熱平衡，分析其計算結果，并將其與試驗結果對比，驗證仿真結果的準確性。根據整車中冷器、散熱器、風扇、柴油機的布置結構，建立一維仿真模型，其中換熱器的性能參數及物理尺寸根據試驗數據得來，并用于模型搭建，具體如圖5所示，圖中，從左到右依次是cp壓力系數、中冷器、散熱器、阻力矩陣、風扇。

在中國石油集團公司物資裝備部和專業(yè)分公司的大力支持下，渤海裝備按照物資采購建立區(qū)域集中儲備中心的工作要求，在國內最大煙氣輪機制造企業(yè)蘭州石油化工機械廠建立了中石油煙氣輪機集中備件儲備庫，集中儲備了中石油集團所屬各大煉廠的煙氣輪機輪盤、動葉片、主軸等十大類近700件/套的關鍵備件。

為了更好的模擬空氣流經中冷器和散熱器，故單獨再將兩者芯部模型設置成多孔介質，根據散熱中冷的試驗性能參數求出多孔介質的壓降，與表觀速度聯合求出多孔介質的粘性、慣性阻力系數，通過這些參數來體現模型的流動特征。計算公式如下：

經過以上建模、計算，整車的熱平衡仿真結果見表2。

2.2 計算結果

周小羽也不躲，也不閃，任憑棍子砸下來，這樣一來李老師看不下去了，迅速地伸手攔了一下，結果李老師的手上挨了重重的一棍子。痛得李老師大叫了一聲哎喲，李老師驚呆了，說，小羽媽媽，你不能這么下重手啊，孩子重在教育，不是打罵呀。

為了驗證車輛在嚴苛條件下的散熱能力，熱平衡試驗需要控制迎面風速小于20 km/h，并且環(huán)境溫度要求高于30℃。試驗時，一般測量柴油機額定工況及大扭矩工況，要求風扇全速運轉，且在一定時間內水溫變化值小于1℃，此時記錄數據。本文研究的重型商用車熱平衡試驗結果見表3。

在STAR-CCM+中生成的面網格并修復不合格的表面，然后劃分計算區(qū)域，并設置棱柱層，棱柱層厚度和尺寸可根據需要單獨對零部件進行設置，采用切割體網格單元生成器生成體網格，最終生成的網格總數約為2804萬。采用K-Epsilon湍流模型，對于整車附近區(qū)域進行了加密處理，同時對于散熱器、中冷器、風扇、進氣格柵等敏感部件也進行了局部加密。其中，整車附近區(qū)域加密網格尺寸為200mm，發(fā)動機、風扇、中冷器、散熱器、進氣格柵的網格尺寸為3-7mm，整車網格尺寸12.5mm。整個流場區(qū)域的橫截面網格分布如圖3所示，其中右邊是散熱器和中冷器的局部截面網格。

3 優(yōu)化分析

上述結果顯示，發(fā)動機轉速1100-1900 r/min時，進氣溫升均在30℃以上，說明中冷器的冷卻效果并不好。增壓后的空氣中氧氣的密度也會降低，進而降低柴油機的有效充氣效率，直接進入燃燒室還會引起缸內燃燒溫度過高，影響排放以及帶來其他故障，故中冷器的作用十分重要，應當優(yōu)化其冷卻效果，滿足設計開發(fā)的要求。針對上述結果，更換迎風面積更大的中冷器，計算結果見表6。

由上文可知，優(yōu)化中冷器迎風面積大于原中冷器迎風面積，增大了約0.09 m

。如下計算數據分析，增大中冷器尺寸能夠起到改善中冷器冷卻能力的效果，各轉速工況下的進氣溫升均降低約5℃，如需進一步提高中冷器冷卻能力，可進行更大中冷器或改善中冷器結構的研究分析，同時需考慮機艙布置等其他因素。

我記得，去年一月，您成為我的新主人。您害怕我著涼，把我裹到衣服里，柔軟的衣服散發(fā)出洗衣液淡淡的香味；我記得，除夕夜，我很久不能靜下來，那是我第一次聽鞭炮的聲音。您看我受驚了，不斷安撫我“只是放鞭炮，不怕”。

4 結論

(1)經過上述論證分析，對于柴油機商用車的熱管理研究，可以采用三維一維相結合的仿真計算方法。以上方法能夠對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配方案進行有效的分析，計算結果精度高，節(jié)約成本，能夠提高正向開發(fā)的效率。

由上圖可以看出，當TPGDA加入量低于19%時，隨著TPGDA加入量的增加，固化膜拉伸強度增大；在TPGDA加入量在19%左右時，拉伸強度和斷裂伸長率分別達到最大值；而當TPGDA加入量大于19%時，固化膜的拉伸強度不斷下降。這是因為隨著TPGDA的含量的不斷增加，分子鏈間摩擦阻力減弱，固化膜的柔韌性隨之增大，因此剛開始固化膜的拉伸強度和斷裂伸長率都不斷增大。而由于TPGDA具有對體系具有稀釋作用，隨其加入量的不斷增多，分子間的相互作用力減弱，體系內聚能減小，因此固化膜拉伸強度有所下降。

(2)增大中冷器迎風面積能夠有效改善中冷器的冷卻能力，根據整車具體使用環(huán)境，如需進一步提高中冷器冷卻能力，可進行更大中冷器或改善中冷器結構的研究分析。

(3)可以采用以上模型進行該柴油機商用車冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，對優(yōu)化方案進一步地分析、比較，不僅要滿足設計要求，也要充分考慮經濟性、動力性等因素。

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