輕型卡車動力艙冷卻模塊CFD 性能仿真研究

于翰林

（201315 上海市 濰柴動力上海研發(fā)中心）

0 引言

為了不影響整車行駛性能，各大主機(jī)廠均進(jìn)行發(fā)動機(jī)艙熱管理分析，防止艙內(nèi)散熱情況惡化[1]。用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)艙熱管理問題，不僅周期長、對人力和財(cái)力消耗較大，且過多依賴操作人員的工程經(jīng)驗(yàn)，存在重復(fù)操作、效率低等問題。借助虛擬發(fā)動機(jī)艙熱管理仿真分析，可以快速發(fā)現(xiàn)問題的根源，高效解決發(fā)動機(jī)艙熱管理問題，大幅縮短研發(fā)周期和減少試驗(yàn)費(fèi)用[2]。

輕型卡車機(jī)艙的熱管理主要是研究發(fā)動機(jī)艙冷卻系統(tǒng)的熱量交換及溫度控制，滿足機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵零部件的安全性與可靠性，并優(yōu)化車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能[3]。

1 數(shù)學(xué)模型

本文考慮輕型卡車各工況長時(shí)間行駛，處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此采用穩(wěn)態(tài)分析方法，連續(xù)方程、動量方程及能量方程均與時(shí)間無關(guān)[4]。

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

式（2）中，μi的i取1、2、3 分別代表x、y、z三個(gè)方向；z方向因重力原因S1、S2為0，S3=ρg。氣體溫度影響密度變化，故采用理想氣體，氣體狀態(tài)方程[5]為

式中：P——壓力；Rg——?dú)怏w常數(shù)，0.287 J/(kg·K)。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型

對輕型卡車三維幾何特征進(jìn)行前處理，提取駕駛室、發(fā)動機(jī)、底盤、排氣、冷卻等系統(tǒng)表面特征，進(jìn)行幾何處理和面網(wǎng)格劃分[6]。要求模型能完整表達(dá)各子系統(tǒng)表面細(xì)節(jié)特征，尤其細(xì)化冷卻模塊、后視鏡、進(jìn)氣格柵、導(dǎo)流罩等對流體及熱影響較大的部件特征。然后將處理后的模型導(dǎo)入流體軟件，依據(jù)整車長寬高規(guī)格匹配適合的長方體數(shù)值風(fēng)洞空間[7]。采用流體軟件中多面體單元對整車模型進(jìn)行域網(wǎng)格劃分，散熱芯體視為多孔介質(zhì)，設(shè)定阻尼，設(shè)定與空氣的熱交換性能，其他部分視為流體域，模型總網(wǎng)格數(shù)為2 685 萬個(gè)。熱管理分析模型如圖1 所示，冷卻模塊關(guān)鍵部件幾何參數(shù)如表1 所示。

表1 輕型卡車?yán)鋮s模塊關(guān)鍵部件幾何參數(shù)表Tab.1 Geometric parameters of key components of light truck cooling module

圖1 輕型卡車整車熱管理分析模型Fig.1 Thermal management analysis model of light truck

2.2 邊界條件

模型邊界條件路面設(shè)置為開放路面，進(jìn)口邊界設(shè)置風(fēng)速入口，出口邊界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬風(fēng)洞的左右側(cè)及頂面為滑移壁面，設(shè)置行車速度為參數(shù)值的移動地面，地面布局區(qū)域設(shè)定摩擦性能，輕型卡車輪胎為旋轉(zhuǎn)輪胎[8]。

冷卻模塊的散熱器、中冷器、冷凝器為多孔介質(zhì)，設(shè)定阻尼，阻尼計(jì)算公式為

式中：ΔP——風(fēng)阻；ΔL——厚度；v——風(fēng)速；Pi——慣性阻力系數(shù)；Pv——粘性阻力系數(shù)[9]。

2.3 工況參數(shù)

計(jì)算輕型卡車額定功率工況、大扭矩工況下散熱器進(jìn)出水溫度及中冷器熱側(cè)進(jìn)出氣溫度，若滿足性能要求，則冷卻系統(tǒng)的散熱性能滿足要求。各工況輸入?yún)?shù)如表2 所示，其中，冷卻液為50%乙二醇溶液。

表2 輕型卡車各工況輸入?yún)?shù)表Tab.2 Input parameters of light truck under various working conditions

3 計(jì)算分析

輕型卡車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度目標(biāo)值：上水室進(jìn)水溫度≤105 ℃，中冷后溫度≤72 ℃，中冷溫升≤30 ℃[10]。計(jì)算額定功率、大扭矩工況下散熱器進(jìn)出水溫度、中冷熱測進(jìn)出氣溫度及中冷溫升等數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 輕型卡車各工況計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of light truck under various working conditions

3.1 額定功率工況分析

額定功率工況條件下，車速為17.2 km/h，冷卻模塊進(jìn)氣主要靠風(fēng)扇吸風(fēng)。冷凝器四周存在熱回流，高溫出風(fēng)氣流又繞回到了冷凝器前端，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度較高，冷凝器高溫出風(fēng)吹向中冷器。冷卻模塊兩側(cè)存在熱回流，散熱器高溫出風(fēng)氣流從冷卻模塊與車架之間的間隙回到冷卻模塊前端。散熱器周圍增加了密封海綿，散熱器上下兩端無明顯熱回流。由于風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈之間的間距較大，在護(hù)風(fēng)圈的邊緣位置會有散熱器的出風(fēng)氣流從散熱器背面流向正面。機(jī)艙區(qū)域Y=0 mm、Z=200 mm 處截面的流場及溫度場狀態(tài)如圖2、圖3 所示。

圖2 機(jī)艙區(qū)域Y=0 mm 截面速度云圖Fig.2 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

圖3 機(jī)艙區(qū)域Z=200 mm 截面溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度和溫度分布云圖如圖4 所示，其中九宮格溫度測量位置距入口面0.5 mm，從圖4 可以看出，冷凝器上下端風(fēng)速較小、溫度較高，是因?yàn)槔淠鞯淖o(hù)風(fēng)圈沒有完全覆蓋冷凝器，導(dǎo)致其上下端有明顯熱回流，高溫出風(fēng)氣流又回流到了冷凝器前端。

圖4 冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.4 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

中冷器入口面速度和溫度分布云圖如圖5 所示，由于冷凝器高溫出風(fēng)氣流吹向中冷器和中冷器兩側(cè)存在熱回流，中冷器入口面右上方進(jìn)風(fēng)溫度較高。

圖5 中冷器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.5 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

散熱器入口面速度和溫度分布云圖如圖6 所示。受中冷器熱側(cè)高溫氣流流向的影響，中冷器出口面的氣流溫度右側(cè)較高，因此在中冷器后方的散熱器入口氣流右側(cè)溫度較高。

圖6 散熱器進(jìn)風(fēng)面速度及溫度云圖Fig.6 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

3.2 大扭矩工況分析

大扭矩工況條件下車速為8.6 km/h，冷卻模塊進(jìn)氣主要靠風(fēng)扇吸風(fēng)。由于散熱器周圍增加了密封海綿，散熱器上下兩端沒有明顯熱回流。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈之間的間距較大，在護(hù)風(fēng)圈邊緣位置會有散熱器的出風(fēng)氣流從散熱器背面流向正面。機(jī)艙區(qū)域Y=0 mm、Z=200 mm 處截面的流場及溫度場狀態(tài)如圖7、圖8 所示。

圖7 機(jī)艙區(qū)域Y=0 mm 截面速度云圖Fig.7 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

圖8 機(jī)艙區(qū)域Z=200 mm 截面溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖如圖9 所示，其中九宮格溫度測量位置距入口面0.5 mm。從圖9可以看出，冷凝器上下端風(fēng)速較小、溫度較高，是因?yàn)槔淠鞯淖o(hù)風(fēng)圈沒有完全覆蓋冷凝器，使得冷凝器上下端出現(xiàn)了明顯的熱回流。

圖9 冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.9 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

受中冷器熱側(cè)高溫氣流流向的影響，中冷器出口面的氣流溫度較右側(cè)高，因此在中冷器后方的散熱器入口氣流右側(cè)溫度較高。中冷器入口面速度和溫度分布云圖如圖10 所示。

圖10 中冷器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.10 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

由于機(jī)械風(fēng)扇位置較高，散熱器上端進(jìn)風(fēng)速度比下端快，受中冷器熱側(cè)高溫氣流流向影響，散熱器入口面右側(cè)溫度較高。散熱器入口面速度和溫度分布云圖如圖11 所示。

圖11 散熱器進(jìn)風(fēng)面速度及溫度云圖Fig.11 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

綜上，額定功率工況的散熱器上水室溫度和中冷后溫度均低于限值，滿足目標(biāo)要求；大扭矩工況的中冷后溫度低于限值，但散熱器上水室溫度超出限值，不滿足目標(biāo)要求。

4 優(yōu)化方案

（1）拉伸冷凝器風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈，即加高冷凝器護(hù)風(fēng)圈，使護(hù)風(fēng)圈能夠完全覆蓋冷凝器，以減少冷凝器上下端熱回流；

（2）在冷凝器與中冷器之間增加擋板，即在車架上增加擋板，同時(shí)增加冷凝器上方護(hù)板，以減小冷凝器高溫出風(fēng)氣流直接流向中冷器；

（3）在冷卻模塊與車架之間即在中冷器兩側(cè)增加密封海綿，以減少中冷器兩側(cè)熱回流；

（4）更換高效率風(fēng)扇，即減小風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈之間的間隙，降低到10 mm 以下，以提高風(fēng)扇吸風(fēng)性能，風(fēng)扇速比調(diào)至1.21，提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，或者更換吸風(fēng)能力更強(qiáng)的風(fēng)扇，以提升散熱器進(jìn)風(fēng)量。

5 優(yōu)化計(jì)算

經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，額定功率工況、大扭矩工況散熱器上水室溫度和中冷后溫度均低于限值，滿足項(xiàng)目目標(biāo)要求，各工況計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 輕型卡車各工況計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of light truck under various working conditions

額定功率工況中，拉伸了冷凝器風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈，上下兩端的進(jìn)風(fēng)速度提高，入口面溫度有所下降，中冷器進(jìn)氣速度有所提高，進(jìn)氣溫度有所下降。冷凝器、中冷器的進(jìn)風(fēng)面速度、溫度如圖12、圖13所示。

圖12 冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.12 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

圖13 中冷器進(jìn)風(fēng)面速度、溫度云圖Fig.13 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

大扭矩工況中，在冷凝器與中冷器之間增加擋板，增加散熱器兩側(cè)與車架之間的密封海綿，較之優(yōu)化前模型減少了冷卻模塊兩側(cè)的熱回流，散熱器進(jìn)氣溫度也降低，如圖14 所示。

更換高效率風(fēng)扇后，吸風(fēng)能力增加，散熱器前端熱回流有所減少，中冷器進(jìn)風(fēng)溫度明顯降低；增加散熱器與車架之間的密封海綿，冷卻芯體進(jìn)風(fēng)溫度有所降低。如圖15 所示。

圖15 冷卻芯體進(jìn)風(fēng)溫度云圖Fig.15 Cloud picture of inlet air temperature of cooling core

6 結(jié)論

基于整車模型及流體熱力學(xué)理論建立發(fā)動機(jī)艙冷卻系統(tǒng)仿真模型，分別設(shè)置邊界條件，計(jì)算得到額定功率、大扭矩工況下的冷卻芯體熱側(cè)及冷側(cè)進(jìn)出口速度、溫度。進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后再次計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)符合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，冷卻系統(tǒng)的散熱性能大大提升，為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)集成匹配優(yōu)化開發(fā)提供技術(shù)支持，可大大減少試驗(yàn)頻次，節(jié)省成本，縮短開發(fā)周期。