某客三輪整車流場分析及散熱性能優(yōu)化

譚禮斌，袁越錦，王靜

（1.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.中國石化銷售股份有限公司貴州畢節(jié)石油分公司，貴州畢節(jié) 551700）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對汽車舒適性的關(guān)注度越來越高［1-2］。整車發(fā)動機機艙內(nèi)散熱的好壞嚴重影響著整車運行時的熱負荷表現(xiàn)及可靠性［3］。目前分析整車散熱的方法主要有環(huán)境艙熱平衡試驗和CFD 仿真，其中環(huán)境艙熱平衡試驗測試可獲取準確測試數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品研發(fā)及結(jié)構(gòu)改進提供依據(jù)，缺點是周期長且成本高。CFD仿真可以獲得較準確的預(yù)測結(jié)果，周期短，成本低，是目前用于解決整車流場性能評估及散熱性能提升問題的重要研究手段［4-6］。周藝南等［7］采用CFD 數(shù)值仿真方法研究了養(yǎng)蜂車外流場特性，分析了有/無后擋板對速度場及壓力場分布的影響。黃森仁等［8］采用CFD 對SUV 車型中后期造型階段的CAS 模型進行流場分析并對影響阻力系數(shù)的關(guān)鍵部件進行了解析。陳明亮等［9］基于STAR-CCM+軟件搭建了商用車整車外流場計算模型，對比分析了商用車基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案的流場差異。由此可見，CFD仿真方法在整車外流場計算中得到了廣泛應(yīng)用，已從理論研究階段進入工程實用化階段［10-12］。目前，針對客三輪整車流場分析的研究相對較少。因此，基于CFD 方法擬搭建客三輪整車流場及冷卻性能評估分析模型，通過數(shù)值模擬分析方法獲取其發(fā)動機機艙速度分布，評估其機艙散熱情況，并針對性地提出流場優(yōu)化建議，提升該客三輪整車散熱性能。

1 客三輪整車模型建立

1.1 物理模型

為模擬某客三輪周圍流場情況，在車輛周圍建立了1 個流體計算域［13-14］，用于包圍車身、模擬風(fēng)洞監(jiān)測流場狀態(tài)。流體計算域的長度為12倍車身長度，寬度為7倍車身寬度，高度為5倍車身高度。車身頭部距離計算域入口3倍車身長度，車身尾部距離計算域出口8 倍車身長度。網(wǎng)格模型采用CFD 分析軟件STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)進行網(wǎng)格劃分，完成網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格數(shù)量約為1.6×107。劃分完成后的中間截面網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 整車中間截面網(wǎng)格示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用STAR-CCM+中的k-ε兩方程湍流模型進行客三輪整車外流場計算及散熱性能優(yōu)化研究。整車外流計算中空氣介質(zhì)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)，過程中不考慮溫度，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［15］的連續(xù)性方程為

動量微分方程方程為

k-ε湍流模型方程為

式中：u、v、w為速度分量；ρ為流體密度；Fx、Fy、Fz為體積力；μ為流體黏度系數(shù)；p為流體微元體上的壓力；?為拉普拉斯算子；t為時間；xi和xj為2 個方向坐標分量；ui為i方向速度分量；μt為渦流運動粘滯系數(shù)；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能項；C1ε、C2ε、Cu為經(jīng)驗常數(shù)，取1.44、1.92 和0.9；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特數(shù)，取1.0和1.3。

整車計算域入口為30 km·h-1的速度邊界，出口為0 Pa 的壓力邊界。散熱器簡化為多孔介質(zhì)區(qū)域，多孔介質(zhì)的阻力參數(shù)通過散熱器風(fēng)洞單品風(fēng)阻性能測試數(shù)據(jù)擬合獲得。散熱器多孔介質(zhì)芯體的慣性阻力在X、Y、Z方向上分別設(shè)為87 000 kg?m-4、87 000 kg?m-4、87 kg?m-4，黏性阻力在X、Y、Z方向上分別設(shè)為386 000 kg?m-3?s-1、386 000 kg?m-3?s-1、386 kg?m-3?s-1。散熱器風(fēng)扇為吹風(fēng)狀態(tài)，將發(fā)動機機艙中熱空氣從右出風(fēng)口排出，提升舒適性。散熱器風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)采用旋轉(zhuǎn)坐標參考系法實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速3000 r?min-1。

2 結(jié)構(gòu)流場分析與優(yōu)化

2.1 整車初始結(jié)構(gòu)流場分析

圖2為發(fā)動機機艙內(nèi)截面速度分布云圖，圈出區(qū)域為散熱器附近區(qū)域，熱風(fēng)回流較嚴重。通過計算多孔介質(zhì)截面和右出口的流量差異，得出進入該區(qū)域循環(huán)風(fēng)占多孔介質(zhì)總風(fēng)量的67.5%，從進風(fēng)通道進入發(fā)動機機艙的風(fēng)量為119.69 g?s-1，多孔介質(zhì)芯體風(fēng)量為162.4 g?s-1，風(fēng)量較大，但多數(shù)風(fēng)量是來自熱風(fēng)循環(huán)，不利于散熱。

圖2 發(fā)動機艙內(nèi)截面速度場分布

2.2 整車散熱結(jié)構(gòu)改進

為了改善整車發(fā)動機機艙流場分布，提高整車散熱，提出了以下改進方案：1）在散熱器和風(fēng)口之間增加導(dǎo)流罩隔絕熱風(fēng)回流；2）在發(fā)動機機艙左出風(fēng)口處增加小風(fēng)扇，改善發(fā)動機機艙出風(fēng)；3）為平衡系統(tǒng)阻力，保證進風(fēng)量，擴大進風(fēng)通道20 mm。整車散熱結(jié)構(gòu)改進方案如圖3所示。改進后，進風(fēng)通道風(fēng)量為170.6 g?s-1，相比原結(jié)構(gòu)方案下的119.69 g?s-1提升了50.91 g?s-1，總進風(fēng)量提升約42.5%，總進風(fēng)量改善較明顯。車身左出風(fēng)口風(fēng)量和右出風(fēng)口風(fēng)量分別為91.4 g?s-1和121.2 g?s-1，相比原結(jié)構(gòu)方案，總出風(fēng)量提升了97%，出風(fēng)順暢。增加小風(fēng)扇出風(fēng)，左側(cè)出風(fēng)口出風(fēng)量從原來的55.46 g?s-1提升至91.4 g?s-1，提升幅度約為64.8%。圖4 為散熱結(jié)構(gòu)改進后關(guān)鍵區(qū)域速度分布。圖4a為發(fā)動機機艙截面速度分布，可以看出，散熱器附近的熱風(fēng)回流得到明顯改善。新增小風(fēng)扇吹風(fēng)，機艙內(nèi)更多的熱風(fēng)從車身左出口流出，排風(fēng)更加順暢。圖4b 為發(fā)動機機艙側(cè)面右出風(fēng)口風(fēng)速分布，可以看出，出風(fēng)速度大都為6 m?s-1左右，出風(fēng)速度分布比較均勻，出風(fēng)順暢，不存在回流現(xiàn)象。圖4c為散熱器芯體表面速度分布，可以看出，散熱器芯體風(fēng)速分布較均勻，不存在明顯的流動死區(qū)。

圖3 整車散熱結(jié)構(gòu)改進方案

圖4 改進后關(guān)鍵區(qū)域速度分布

2.3 實驗驗證

對優(yōu)化前后的整車進行臺架熱平衡實驗，分析發(fā)動機出口水溫變化情況。實驗時需要的測試傳感器及相關(guān)設(shè)備包括溫度及壓力傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集器、實驗記錄筆記本電腦、K 型熱電偶、熱電偶適配器等。測試時確認整車裝配狀態(tài)及負重狀態(tài)，測試時滿載負重320 kg，車身前端各部件連接布置須符合整車實際使用情況，車輛能正常啟動或熄火，發(fā)動機無異常。測試步驟如下：1）在發(fā)動機出水口布置溫度傳感器，并連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器；2）按照測試工況給定發(fā)動機油門100%，由臺架轉(zhuǎn)轂調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，維持目標工況下發(fā)動機油門、轉(zhuǎn)速情況；3）實時記錄發(fā)動機出口溫度，若發(fā)動機達到熱平衡（5 min 內(nèi)水溫變化小于0.5℃），則記錄數(shù)據(jù)。

圖5 為樣車負重320 kg 的熱負荷測試圖。測試工況為4 擋，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000 r·min-1，行駛速度為30 km·h-1。測試中，運行30 min 左右發(fā)動機達到熱平衡，記錄發(fā)動機出水的水溫數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，優(yōu)化前發(fā)動機出水溫度約為99℃，優(yōu)化后發(fā)動機出水溫度約為88℃，水溫降低約11℃，外部散熱改善明顯，表明整車散熱改進方案是有效的。

圖5 樣車負重320 kg的熱負荷測試

3 結(jié)論

基于CFD 方法，采用STAR-CCM+對某客三輪整車流場進行了分析，基于分析結(jié)果改進整車結(jié)構(gòu)。改進后，散熱器熱風(fēng)循環(huán)得到明顯改善、風(fēng)速分布更均勻，發(fā)動機艙內(nèi)流場整體分布較為合理，無較為嚴重的流動死區(qū)，發(fā)動機出水溫度降低。