重型牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理仿真優(yōu)化

摘要：以某款重型牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)艙為研究對象，建立了三維整車仿真分析模型，并對發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場進(jìn)行分析。針對原方案存在熱風(fēng)回流嚴(yán)重、散熱器風(fēng)速不均勻及風(fēng)扇流量不足的問題，提出了增加熱風(fēng)回流擋板、改用環(huán)形風(fēng)扇等改進(jìn)措施。結(jié)果表明：經(jīng)過仿真分析，優(yōu)化措施改善了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場，解決了冷卻常數(shù)不滿足要求的問題，達(dá)到了預(yù)期的換熱效果；試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙；熱管理；熱平衡；熱風(fēng)回流；仿真優(yōu)化

0 前言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提升，對其冷卻系統(tǒng)提出了越來越高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)通過冷卻系統(tǒng)與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，把多余的熱量帶走，使水溫、油溫保持在合理范圍內(nèi)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)對冷卻系統(tǒng)有著重要影響。

本文以某款牽引車為研究對象，建立三維整車仿真分析模型，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場進(jìn)行分析后得出，目前的方案存在熱風(fēng)回流嚴(yán)重、散熱器風(fēng)速不均勻及風(fēng)扇流量不足的問題。針對這些問題提出了增加熱風(fēng)回流擋板，改用環(huán)形風(fēng)扇等改進(jìn)措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 計(jì)算模型搭建

本文采用Simcenter STAR-CCM+ 軟件建立計(jì)算模型。通過該軟件的包面功能，可以快速得到流體的拓?fù)浞忾]區(qū)域。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的主要零件有冷凝器、中冷器、散熱器、護(hù)風(fēng)罩、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)管路、進(jìn)氣系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等。在計(jì)算中保留了全部的零件，沒有簡化，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

用一個(gè)長方體包裹整車形成計(jì)算域，寬度為車長的6 倍，高度為車長的5 倍，車頭距離前端4 倍車長，車尾距離后端6 倍車長，如圖1 所示。

計(jì)算工況為全負(fù)荷低速爬坡工況，設(shè)定入口風(fēng)速為7 m/s，出口為壓力邊界，相對壓力為0。

由于中冷器和散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，翅片的尺寸較小，難以劃分網(wǎng)格，所以在計(jì)算中采用多孔介質(zhì)模型對二者進(jìn)行計(jì)算。對于換熱部分，采用STARCCM+雙流換熱模型。該換熱模型可以分別對冷側(cè)和熱側(cè)進(jìn)行求解，冷側(cè)定義為空氣，熱側(cè)定義為冷卻液［1］。

風(fēng)扇模擬主要有多參考系（MRF）模型、滑移網(wǎng)格（SMM）和等效模型等。MRF 模型可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)態(tài)求解，不需要耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙計(jì)算中MRF 模型的精度可以滿足要求［2］。綜合考慮計(jì)算效率和精度，本文采用MRF模型對風(fēng)扇進(jìn)行模擬。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2. 1 原方案分析

圖2 為發(fā)動(dòng)機(jī)艙中間豎直平面，即過風(fēng)扇中心的豎直平面的溫度分布。從圖2 可以看出，風(fēng)扇后的熱風(fēng)經(jīng)過散熱器頂部回到冷卻模塊前，形成熱風(fēng)回流。圖3 為發(fā)動(dòng)機(jī)艙水平面的溫度分布。從圖3可以看出，風(fēng)扇后的熱風(fēng)撞擊到擋泥板后從兩側(cè)回到冷卻模塊前，形成熱風(fēng)回流。散熱器后的空氣溫度超過110 ℃，說明此時(shí)冷卻空氣的流量過低，風(fēng)扇的性能不滿足要求。

圖4 為散熱器空氣流速分布。從圖4 可以看出，散熱器頂部的空氣流速較高，底部的空氣流速較低，風(fēng)速不均勻造成散熱器的換熱效率降低。主要原因在于風(fēng)扇的布置偏上，風(fēng)扇與散熱器的距離過近，造成散熱器底部出風(fēng)不通暢，如圖5 所示。

2. 2 優(yōu)化方案的確定

根據(jù)原方案的計(jì)算結(jié)果，原方案存在熱風(fēng)回流嚴(yán)重、散熱器風(fēng)速不均勻及風(fēng)扇流量不足的問題。采用增加熱風(fēng)回流擋板、改用環(huán)形風(fēng)扇等措施對原方案進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化方案見表1。

方案1、方案2 的模型分別如圖6、圖7 所示。

2. 3 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

方案1～3 的中間豎直平面溫度分布如圖8～圖10 所示。對比圖2 和圖8 可以看出：在散熱器頂部增加擋板后，散熱器頂部的熱風(fēng)回流減少，頂部進(jìn)風(fēng)溫度降低。

方案1～3 的水平面溫度分布如圖11～ 圖13所示。對比圖3 和圖12 可以看出：使用開口風(fēng)扇后，環(huán)形風(fēng)扇出風(fēng)角度更偏向后方，避免了流體與擋泥板直接撞擊，造成熱風(fēng)回流，因此方案2 和方案3 的熱風(fēng)回流相對原方案降低；方案2 和方案3的風(fēng)扇流量更大，過散熱器后的空氣溫度更低。

方案1～ 方案3 的散熱器空氣流速云圖如圖14～16 所示。對比圖4、圖15 和圖16 可以看出：方案2 和方案3 散熱器底部的空氣流速增加，改善了散熱器空氣流速的均勻性，提升了換熱器的換熱效率。

目前，行業(yè)內(nèi)一般用冷卻常數(shù)來表示發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。冷卻液的冷卻常數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡時(shí)，冷卻液出口溫度與環(huán)境溫度的差值。冷卻常數(shù)越小，說明冷卻能力越強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果越好。表2 為各方案的參數(shù)計(jì)算結(jié)果。

由表2 可知，原方案的冷卻常數(shù)為72.8 K，不滿足要求。方案1 在原方案基礎(chǔ)上增加了散熱器頂部的擋板后，冷卻常數(shù)降低了5.0 K。方案2 改用環(huán)形風(fēng)扇后，風(fēng)扇的流量提升，冷卻常數(shù)降低了15.0 K。方案3 綜合采用方案1 和方案2 的優(yōu)化措施后，冷卻常數(shù)相對原方案降低了19.1 K。因此，方案3 的效果最優(yōu)。綜合考慮后采用方案3 作為批產(chǎn)方案。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在整車試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)，如圖17 所示。通過測功機(jī)連接到傳動(dòng)軸，并操控測功機(jī)對整車增加負(fù)載來模擬道路工況。圖18 為計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對比。由圖18可知，冷卻常數(shù)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差異在2 K以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

4 結(jié)語

本文以某款牽引車為研究對象，建立三維整車仿真分析模型。針對原方案存在熱風(fēng)回流嚴(yán)重、散熱器風(fēng)速不均勻及風(fēng)扇流量不足的問題，提出了增加熱風(fēng)回流擋板、改用環(huán)形風(fēng)扇等優(yōu)化措施。原方案的冷卻常數(shù)為72.8 K，不滿足要求，最終方案3 的冷卻常數(shù)為53.7 K，相對原方案降低了19.1 K。優(yōu)化措施改善了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場，解決了冷卻常數(shù)不滿足要求的問題，達(dá)到了預(yù)期的換熱效果。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

［ 1 ］ 陳存福. 某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析與試驗(yàn)研究[J]. 汽車技術(shù)，2020（2）：47-52.

［ 2 ］ 彭瑋. 動(dòng)力艙熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部件建模仿真方法研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.