某越野車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析與改進(jìn)

王良模,張嘯天,王 陶,袁劉凱,張湯赟,鄒 亮

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094;2.南京依維柯汽車有限公司,南京 210037)

0 引言

隨著人們對(duì)車輛性能的需求越來(lái)越高,各種新技術(shù)在車輛上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。這些新技術(shù)提高了車輛的綜合性能,但也對(duì)機(jī)艙的散熱性能提出了更高的要求。在車輛研發(fā)過程中,道路試驗(yàn)存在周期較長(zhǎng)、成本較高等問題。此時(shí),運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行技術(shù)預(yù)研成為了一種普遍的做法。目前,仿真分析主要采取的是一維仿真和三維仿真兩種方法。

一維仿真分析方面,唐海國(guó)等[1]對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用田口方法,顯著提升了散熱器冷卻液流量,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度,仿真結(jié)果與整車熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的吻合度。賴晨光等[2]建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的一維模型,基于流固耦合方法對(duì)排氣歧管進(jìn)行了仿真計(jì)算,以熱變形為目標(biāo)對(duì)排氣歧管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。Lu等[3]建立了車輛熱管理的耦合系統(tǒng)模型,通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行多級(jí)協(xié)同熱管理仿真分析,優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的傳熱結(jié)構(gòu)。

三維仿真分析方面,黨巖等[4]運(yùn)用數(shù)值模擬分析了整車前艙的流場(chǎng),得到了主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片角度和進(jìn)氣量的關(guān)系,通過不斷調(diào)整葉片角度,提高了進(jìn)氣量。黃燦等[5]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行流場(chǎng)分析,發(fā)現(xiàn)原方案中水套存在流動(dòng)死區(qū)的問題,后通過優(yōu)化水套參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),缸頭流速和換熱系數(shù)明顯得到了提升。Konstantinos等[6]建立三維模型,考慮到冷卻器空氣側(cè)的傳熱系數(shù)與摩擦因子的相關(guān)性,對(duì)客車底盤的熱特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。譚禮斌等[7]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行了流場(chǎng)分析,獲得了水套內(nèi)部的傳熱特性,為冷卻水套的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案提供了參考。Kusano等[8]使用集合卡爾曼濾波器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了三維流場(chǎng)仿真,對(duì)邊界溫度進(jìn)行了預(yù)估,預(yù)估結(jié)果與實(shí)際溫度相近。

一維仿真是從系統(tǒng)層面進(jìn)行數(shù)值模擬,具有計(jì)算速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn),但不能直觀地反映流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況,而三維仿真則相反。所以,單獨(dú)使用一維仿真或三維仿真均存在局限性,不能同時(shí)直觀、精確地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況,將一維仿真和三維仿真聯(lián)合起來(lái)使用成為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性的重要方法。唐友名等[9]基于某款SUV進(jìn)行了一維/三維聯(lián)合仿真,并將聯(lián)合仿真結(jié)果與熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,表明聯(lián)合仿真方法的誤差在5%以內(nèi)。Xu等[10]利用一維/三維仿真方法,將一維仿真得到的計(jì)算結(jié)果作為輸入值輸入到三維流場(chǎng)中,計(jì)算了溫度場(chǎng)的分布情況,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫部位進(jìn)行了研究。

在企業(yè)對(duì)某款越野車進(jìn)行研發(fā)的過程中,將原有車型的前臉和底盤進(jìn)行了更換升級(jí)。經(jīng)過企業(yè)的試驗(yàn)與仿真分析發(fā)現(xiàn):新款車型較上一代而言,冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量有所下降,并且中冷器附近的回流量較大,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度較高,中冷常數(shù)不滿足冷卻性能要求。本文中采用一種三維仿真為主、一維仿真為輔的研究方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真,研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫?zé)岷Φ漠a(chǎn)生原因,以解決中冷常數(shù)過高的問題。

1 整車CFD模型的建立

1.1 幾何模型的建立與簡(jiǎn)化

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的零部件眾多,而研究重點(diǎn)在于艙內(nèi)的傳熱分析,在保證計(jì)算精度的前提下,可以對(duì)艙體的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在ANSA軟件中對(duì)幾何模型進(jìn)行前期的幾何清理工作,將一些直徑較小的管道及線束等對(duì)傳熱影響較小的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。圖1為簡(jiǎn)化后的整車幾何模型示意圖。

圖1 簡(jiǎn)化后的整車幾何模型示意圖

1.2 計(jì)算域的建立與網(wǎng)格劃分

將前處理后的文件導(dǎo)入到STAR-CCM+中,進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查、劃分區(qū)域以及設(shè)置邊界條件,完成體網(wǎng)格的生成。圖2為計(jì)算域示意圖。計(jì)算域的長(zhǎng)度設(shè)為10倍車長(zhǎng)(車前3L、車后6L),寬度為7倍車寬(左右各3W),高度為5倍車高。計(jì)算域的入口設(shè)為速度入口,數(shù)值根據(jù)工況車速進(jìn)行設(shè)置。出口設(shè)為壓力出口。

圖2 計(jì)算域示意圖

為了更加真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的流場(chǎng)情況,在生成體網(wǎng)格時(shí)設(shè)置了多個(gè)Block塊局部加密區(qū)域。從整車的表面向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)分層細(xì)化體網(wǎng)格,以提高仿真的計(jì)算精度。經(jīng)過網(wǎng)格劃分,生成的體網(wǎng)格單元約3 467萬(wàn),如圖3所示。

圖3 生成的體網(wǎng)格示意圖

1.3 多孔介質(zhì)模型的建立

由于換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程中常把換熱器定義為多孔介質(zhì)模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算。一般選用慣性阻尼系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)表征它們的多孔介質(zhì)特性,其計(jì)算公式為:

(1)

式中:dp為壓降,Pa;V為多孔介質(zhì)表面流速,m/s;L為流體流過多孔介質(zhì)的長(zhǎng)度,m;Pv為黏性阻尼系數(shù),kg/(m3·s);Pi為慣性阻尼系數(shù),kg/m4。

通過對(duì)換熱器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)獲取慣性阻尼系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)。圖4為臺(tái)架試驗(yàn)示意圖。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù),擬合得到換熱器的二次多項(xiàng)式曲線。多項(xiàng)式系數(shù)即為各換熱器的多孔介質(zhì)特征參數(shù),參數(shù)如表1所示。

表1 各換熱器的多孔介質(zhì)參數(shù)

圖4 換熱器的臺(tái)架試驗(yàn)示意圖

1.4 風(fēng)扇的邊界條件

采用動(dòng)量源法設(shè)置風(fēng)扇的邊界條件[11]。相較于多重參考系法,該方法不需要詳細(xì)的風(fēng)扇CAD數(shù)據(jù),通過輸入風(fēng)扇的P-Q曲線完成動(dòng)量源的加載,真實(shí)地模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。通過實(shí)驗(yàn)采集風(fēng)扇的P-Q特性曲線后,在Origin軟件中擬合出二次多項(xiàng)式(如圖5所示),利用差值法得到風(fēng)扇各工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。

圖5 P-Q曲線多項(xiàng)式擬合曲線

1.5 仿真工況的設(shè)定

根據(jù)《汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置的性能及試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)[12],在車輛研發(fā)過程中,需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降額功能輕型車輛的冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行檢驗(yàn),即ATD(air to derating)試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用道路試驗(yàn)的方法。測(cè)試車輛后面連接著一輛拖車,車輛油門踩到底,通過控制拖車來(lái)保證測(cè)試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和條件,ATD試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 ATD試驗(yàn)場(chǎng)景

本文中研究車型搭載的是F1C直噴發(fā)動(dòng)機(jī),主要參數(shù)如表2所示。

表2 F1C直噴發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)F1C型發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(如圖7所示),挑選3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行仿真,3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況分別屬于最大功率工況和最大扭矩工況。其中,最大功率工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min,最大扭矩工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 500、1 500 r/min。仿真工況的具體參數(shù)如表3所示。

表3 仿真工況參數(shù)

圖7 F1C發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線

工程中,一般選用ATD值和中冷常數(shù)作為衡量冷卻系統(tǒng)性能的指標(biāo)。ATD值和中冷常數(shù)T(aCAC)的計(jì)算公式如下:

ATD[t(DE)]=t(de)-t(eo)+t(a)

(2)

T(aCAC)=t(aCAC)-t(a)

(3)

式中:t(de)為防凍液的沸點(diǎn)溫度,與冷卻系統(tǒng)的壓力有關(guān);t(eo)為發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度;t(a)為試驗(yàn)環(huán)境溫度;t(aCAC)為中冷器出風(fēng)溫度。一般要求:ATD值≥45 ℃,中冷常數(shù)≤25 ℃。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性分析

2.1 仿真方法介紹

本文中用到的仿真方法分析過程是:首先在ANSA軟件里完成三維模型的建立,然后在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算,最后在Flowmaster軟件中完成一維仿真計(jì)算。

三維流場(chǎng)仿真計(jì)算分為2個(gè)步驟:第一步進(jìn)行常規(guī)的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)求解。對(duì)各冷卻模塊的出風(fēng)面進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)而得到各冷卻模塊的出風(fēng)面流量。第二步進(jìn)行回流量的求解計(jì)算。關(guān)閉穩(wěn)態(tài)湍流求解器,打開被動(dòng)標(biāo)量求解器,將物理模型定義為對(duì)流擴(kuò)散運(yùn)輸,在第一步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行熱回流求解計(jì)算,得到各冷卻模塊的回流量。

最后,將三維流場(chǎng)仿真得到的計(jì)算結(jié)果輸入到一維仿真模型里,運(yùn)行后得到發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度和中冷器熱端出風(fēng)溫度,完成仿真分析過程。

2.2 仿真結(jié)果分析

為更好地說明流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果,在冷卻系統(tǒng)的核心區(qū)域附近定義了2個(gè)截面。如圖8所示,Y=0 mm是位于格柵進(jìn)氣口附近的對(duì)稱截面,Z=560 mm則位于中冷器附近位置。

圖8 截面位置示意圖

三維仿真的主要目的是觀察發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)是否存在明顯的回流現(xiàn)象,找到高溫?zé)岷Φ牟课?。通過速度矢量圖可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布情況,這里分別對(duì)3種工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性進(jìn)行仿真分析,圖9是最大功率工況下的速度矢量圖和溫度云圖。圖9(a)中,在Y=0 mm截面處,中冷器與上格柵之間的縫隙較大,中冷器冷端的進(jìn)風(fēng)面沒有正對(duì)上格柵。通過上格柵的大量冷卻空氣繞過中冷器,從中冷器的上方直接流入散熱器,僅有少量空氣從中冷器的冷端進(jìn)入,不利于對(duì)熱端高溫氣體的冷卻,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的回流率較大,降低了冷卻系統(tǒng)的性能。從圖9(b)也可以看出,在Z=560 mm截面處,中冷器上方區(qū)域均有來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的回流空氣(如圖中黑圈所示),這些回流的高溫氣體不利于中冷器散熱,降低了冷卻系統(tǒng)的性能。

圖9 原方案的速度矢量圖和溫度云圖

圖10是最大扭矩工況下的結(jié)果。由圖10(a)可知,在2 500 r/min轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)分布與最大功率工況相似,高溫區(qū)域主要存在于散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間,最高達(dá)到了117.21 ℃。相比于最大功率工況下的114.82 ℃,提高了2.39 ℃。由圖10(b)可知,在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫區(qū)域更多,基本上都在110 ℃以上。相似地,高溫最高的區(qū)域存在于散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間,最高達(dá)到了129.03 ℃。相比于最大功率工況下的114.82 ℃,提高了14.21 ℃。

圖10 最大扭矩工況的速度矢量圖和溫度云圖

在回流量計(jì)算過程中,三維流線圖可以反映發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱回流情況。從圖11可以看出,從散熱器出口流出的空氣經(jīng)過中冷器左右兩側(cè)形成渦流,大量回流入中冷器進(jìn)風(fēng)口,降低了中冷器和散熱器的冷卻性能。

圖11 熱回流流線云圖

找到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫?zé)岷Σ课缓?將各冷卻模塊的流量值以及工況數(shù)值輸入到一維模型中,進(jìn)行ATD值和中冷常數(shù)的計(jì)算。

3 冷卻系統(tǒng)一維仿真分析

3.1 一維模型的建立

圖12為中冷器兩端氣流流動(dòng)示意圖。中冷器的進(jìn)氣流量分為兩部分:一部分是渦輪增壓產(chǎn)生的高溫氣體從中冷器的熱端(綠色管路)流入;另一部分是常溫冷卻空氣從中冷器的冷端(格柵進(jìn)入)流入。冷卻空氣從中冷器中水平流過,對(duì)高溫氣體進(jìn)行冷卻降溫,冷卻后的高溫氣體從紅色管路回到發(fā)動(dòng)機(jī)中。

圖12 中冷器兩端氣流流動(dòng)示意圖

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的實(shí)際結(jié)構(gòu),在Flowmaster中搭建出了一維模型,如圖13所示。該模型由進(jìn)氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)2部分組成。進(jìn)氣元件主要是冷凝器、中冷器和散熱器。常溫空氣從格柵進(jìn)入機(jī)艙后,經(jīng)過中冷器和冷凝器流入散熱器。由于冷凝器、中冷器和散熱器等換熱器均存在熱回流現(xiàn)象,在三維仿真時(shí)需要分別對(duì)它們的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將三維仿真結(jié)果輸入到一維模型中,完成ATD值、中冷常數(shù)等參數(shù)的計(jì)算。水壺和水泵等水路元件組成了發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)。其中,一維模型仿真所需的水路各部件性能參數(shù)由生產(chǎn)廠家提供。而氣路元件參數(shù),如中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量和回流量等,需要通過STAR-CCM+的三維仿真計(jì)算獲得。

圖13 一維模型示意圖

3.2 一維仿真的計(jì)算結(jié)果

一維仿真分析中,一般將ATD值和中冷常數(shù)是否滿足要求作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)過一維計(jì)算,3種工況的ATD值均滿足要求(≥45 ℃),而前2種工況的中冷常數(shù)在28 ℃左右,超過了限值,第3種工況的中冷常數(shù)滿足要求。一維仿真結(jié)果如表4所示。

表4 一維仿真結(jié)果

由表4可知,最大功率工況的中冷常數(shù)最高,超過了工程限值,故將該工況作為惡劣工況,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙的改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過對(duì)冷卻系統(tǒng)部件的空間位置進(jìn)行調(diào)整等改進(jìn)方案,改善中冷常數(shù)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙的改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)

為了解決中冷常數(shù)不滿足要求的問題,本文中嘗試提出了3種改進(jìn)方案:方案1,在中冷器上方增加一塊導(dǎo)流板,將上格柵處的冷卻空氣導(dǎo)流到中冷器的進(jìn)風(fēng)面附近,以增加中冷器的進(jìn)風(fēng)量。方案2,調(diào)整上格柵的開口方向,改變冷卻空氣的流向。方案3,提高中冷器的空間位置,增加冷卻空氣的正對(duì)面積。其中,方案2對(duì)格柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),研發(fā)成本較高。方案1與方案3相比,增加導(dǎo)流板的方案,在工程中更易實(shí)現(xiàn)。綜合考慮,采用方案1對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)前后的幾何模型如圖14所示。

4.2 改進(jìn)前后的對(duì)比分析

對(duì)方案1來(lái)說,加裝導(dǎo)流板可以有效地增加中冷器的進(jìn)風(fēng)量,減少艙內(nèi)的熱回流現(xiàn)象。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真分析,得到的發(fā)動(dòng)機(jī)艙2個(gè)方向上的速度矢量圖和溫度云圖如圖15。

圖15 改進(jìn)后的速度矢量圖和溫度云圖

從Y=0 mm截面(圖15(a))可以看出,加裝導(dǎo)流板后,從上格柵進(jìn)入的大量冷卻空氣被導(dǎo)流到中冷器進(jìn)風(fēng)面,增加了中冷器的進(jìn)風(fēng)量,同時(shí)散熱器后方溫度從114.82 ℃降低到了112.15 ℃,改善了熱回流現(xiàn)象。從Z=560 mm截面(圖15(b))可以看出,加裝導(dǎo)流板后,中冷器附近的流速有所下降。散熱器后方的溫度從115.42 ℃降低到了113.74 ℃,降低了機(jī)艙內(nèi)高溫部位的溫度,提高了散熱性能。

經(jīng)過一維計(jì)算,加裝導(dǎo)流板后的中冷常數(shù)滿足了要求,改進(jìn)前后參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知,中冷器的流量明顯增加,回流量明顯減少。該改進(jìn)方案在滿足ATD值的要求下,將中冷常數(shù)從28 ℃降低到21.31 ℃,提升了中冷器的冷卻性能。

表5 改進(jìn)前后參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1) 運(yùn)用三維CFD方法對(duì)某越野車發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了流場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真分析,確定了艙內(nèi)存在的高溫?zé)岷Σ课?得出中冷器附近的回流量較大。

2) 通過冷卻系統(tǒng)的一維仿真,結(jié)果表明:最大功率工況下的中冷常數(shù)值最不理想,不符合工程要求。需要對(duì)機(jī)艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn),降低該工況下的中冷常數(shù)值。

3) 通過加裝導(dǎo)流板的改進(jìn)方案,中冷器的流量有所增大,回流量有所減少,中冷常數(shù)從28 ℃降低到21.31 ℃,提高了中冷器的冷卻性能。