汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)機(jī)艙熱管理影響的研究

李飛，施鵬飛，于劍澤

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)機(jī)艙熱管理影響的研究

李飛，施鵬飛，于劍澤

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章應(yīng)用CFD軟件STAR CCM+及AMEsim研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇對(duì)機(jī)艙熱管理的影響，在建立三維整車熱管理系統(tǒng)數(shù)值模型的同時(shí)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。得到了車輛在不同轉(zhuǎn)速和車速下散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量，分析了不同車速下，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量之間的關(guān)系，以及散熱器進(jìn)風(fēng)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液水溫的影響。結(jié)果表明：隨著車速的提高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器進(jìn)氣量的影響逐漸降低。當(dāng)車速小于60km/h時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器進(jìn)氣量的增加有明顯的作用；結(jié)合車輛開(kāi)發(fā)性能要求，通過(guò)一維、三維聯(lián)合仿真確定了該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的合理轉(zhuǎn)速，并且驗(yàn)證了所選風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的合理性和可靠性。

熱管理；冷卻風(fēng)扇；冷卻系統(tǒng)；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是整車熱管理工作中的重要內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液維持一個(gè)合理、穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)，對(duì)提高整車的能量利用率和燃油經(jīng)濟(jì)性起到關(guān)鍵性的作用。冷卻風(fēng)扇作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整個(gè)冷卻系統(tǒng)的性能。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們已有過(guò)深入的研究。運(yùn)用一維、三維耦合的方法分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的問(wèn)題逐漸成為研究的主要技術(shù)手段。湖南大學(xué)谷正氣等運(yùn)用一維、三維聯(lián)合仿真工具分析并優(yōu)化了某款新轎車的冷卻性能，結(jié)果證明了這種聯(lián)合仿真在熱管理分析中的優(yōu)勢(shì)[1]。上海交通大學(xué)張寶亮等通過(guò)一維和三維聯(lián)合迭代的方法研究亮整車的熱管理問(wèn)題，為車輛前期熱管理的仿真分析提供了一種有效的分析方法[2]。MAGNA公司的Christoph Stroh等運(yùn)用一維軟件KULI，并結(jié)合三維CFD仿真分析了整車的熱管理系統(tǒng)，提高了熱管理仿真計(jì)算的精度和可靠度[3]。Norihiko Watanabe等使用CFDlink實(shí)現(xiàn)了一維軟件Flowmaster和三維仿真軟件的耦合計(jì)算，并通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)的仿真模擬[4]。

本文以某款自然吸氣MPV車型為研究對(duì)象，建立了完整的整車仿真分析模型，利用CFD商業(yè)軟件STAR-CCM+ 計(jì)算了冷卻模塊表面的進(jìn)風(fēng)量。分析了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、車速與進(jìn)氣量之間的關(guān)系。用AMEsim軟件模擬了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，計(jì)算了車輛在速度50km/h、坡度為9%、環(huán)境溫度38℃的工況行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析選擇一個(gè)合理的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并驗(yàn)證了所選風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的合理性。

1 基本控制方程及模型

1.1 基本控制方程

由于車輛機(jī)艙內(nèi)部的氣流速度低且密度變化小，假設(shè)氣體為粘性、定常、不可壓縮流體，基本控制方程為[5]：

連續(xù)方程

能量方程

雷諾時(shí)均方程

用于描述寫湍流的納維-斯托克斯方程很難應(yīng)用解析方法來(lái)進(jìn)行求解。因此，學(xué)者們主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)或者平均的方法來(lái)解決湍流問(wèn)題。

雷諾時(shí)均方程的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量由三部分消耗掉，包括用于車輛驅(qū)動(dòng)的有用功、排氣帶走的熱量消耗及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液帶走的熱量[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間所散發(fā)的熱量為：

為保證吊運(yùn)材料安全，需用鋼筋做1個(gè)籠子?；\子的底面制作為可拆裝式，便于裝卸材料。最大起吊質(zhì)量200 kg，卷?yè)P(yáng)機(jī)選用3 t的，鋼絲繩選用左交互捻Ф 10(6×19)纖維芯，公稱抗拉強(qiáng)度1 570 MPa。

其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量比例系數(shù)；M為燃油流量；Q為燃油熱值。

傳遞給冷卻液的熱量為：

其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)；為熱交換面積；T為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁的溫度，則可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的熱平衡方程為：

其中C為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的熱容量。

2 計(jì)算模型的搭建

2.1 三維網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

本文建立了完整的外流場(chǎng)仿真模型，設(shè)車輛長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，外部流體域?yàn)檐嚽?L，車后6L，寬度為6W，高為6H。體網(wǎng)格劃分時(shí)，在機(jī)艙內(nèi)部、前保及車燈附近添加邊界層，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤添加網(wǎng)格加密區(qū)，采用Trimmer網(wǎng)格進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格數(shù)量為17641185，生成的體網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 整車體網(wǎng)格

入口處的邊界條件采用速度入口邊界，出口為壓力出口,對(duì)于散熱器和冷凝器則采用多孔介質(zhì)模型，用來(lái)計(jì)算冷卻模塊的進(jìn)氣量。冷卻風(fēng)扇采用MRF（Moving Reference Frames）模型設(shè)置。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別為2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min；車速分別為0 km/h、30 km/h、60 km/h、90 km/h、120 km/h、150 km/h共24個(gè)計(jì)算模型。

2.2 一維模型及邊界條件

圖2為一維冷卻仿真示意圖。整個(gè)冷卻系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、電子節(jié)溫器、散熱器、膨脹水箱及暖風(fēng)芯體，發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度決定電子節(jié)溫器的開(kāi)度。氣流通過(guò)前進(jìn)氣格柵后依次經(jīng)過(guò)冷凝器、散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

圖2 一維冷卻仿真示意圖

計(jì)算工況點(diǎn)為車輛在時(shí)速50km/h，坡度為9%，環(huán)境溫度38℃。散熱器和冷凝器表面進(jìn)氣量采用三維計(jì)算得到的結(jié)果，散熱器換熱參數(shù)根據(jù)單體試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)AMEsim軟件標(biāo)定獲取；水泵、膨脹水箱等零部件的計(jì)算參數(shù)根據(jù)單體試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作為輸入。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同工況仿真計(jì)算結(jié)果分析

三維進(jìn)氣量計(jì)算結(jié)果如圖3所示，車速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越大，散熱器表面的進(jìn)氣量也越大。隨著車速的提高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面的影響逐漸降低。當(dāng)車速小于60km/h時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面進(jìn)氣量的增加有明顯的作用，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速每提高500RPM，進(jìn)氣量增加0.15kg/s左右。當(dāng)車速高于60 km/h時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面進(jìn)氣量的增加基本保持不變，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速每提高500RPM，進(jìn)氣量增加0.1kg/s左右。隨著車速的提高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面的影響逐漸降低。

圖3 散熱器進(jìn)氣量仿真結(jié)果

冷凝器表面的進(jìn)氣量趨勢(shì)如圖4所示，隨著車速的提高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷凝器表面的影響也是逐漸降低的。但是由于布置原因，冷凝器在散熱器正前方，風(fēng)扇對(duì)冷凝器進(jìn)風(fēng)量的增加量基本穩(wěn)定在0.08kg/s左右。當(dāng)車速大于30km/h時(shí)，冷凝器表面的進(jìn)氣量變化基本跟車速保持線性關(guān)系，冷卻風(fēng)扇對(duì)冷凝器進(jìn)風(fēng)量的影響較小。

考慮到冷卻風(fēng)扇主要作用是對(duì)散熱器進(jìn)行冷卻，且冷凝器對(duì)氣流的阻力也直接影響散熱器的進(jìn)風(fēng)量。因此，在車輛開(kāi)發(fā)的前期，對(duì)散熱器進(jìn)風(fēng)量做出要求的同時(shí)，需要建立冷凝器與散熱器進(jìn)風(fēng)量之間的關(guān)系，進(jìn)而作為一維冷卻的邊界條件輸入。如圖5所示，根據(jù)散熱器進(jìn)風(fēng)量和冷凝器進(jìn)風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果擬合出一條趨勢(shì)線，作為關(guān)聯(lián)兩個(gè)冷卻模塊之間進(jìn)風(fēng)量的映射關(guān)系。

圖4 冷凝器進(jìn)氣量仿真結(jié)果

圖5 散熱器進(jìn)風(fēng)量與冷凝器進(jìn)風(fēng)量擬合曲線

根據(jù)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的分析，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，

當(dāng)車輛在時(shí)速50km/h，坡度為9%，環(huán)境溫度38℃的情況下車輛行駛狀態(tài)相對(duì)惡劣，且此時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)性能的影響較大。散熱器不同進(jìn)風(fēng)量與發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處溫度的關(guān)系曲線如圖6所示。隨著散熱器進(jìn)風(fēng)量的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度逐漸降低。

根據(jù)車輛性能開(kāi)發(fā)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處的水溫需要小于115℃，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能，此時(shí)，散熱器表面的進(jìn)風(fēng)量直接影響冷卻液的溫度。根據(jù)圖6中的曲線可知，當(dāng)水溫為115℃時(shí)，對(duì)應(yīng)此時(shí)散熱器的進(jìn)風(fēng)量為0.77kg/s。

3.2 選定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下仿真計(jì)算結(jié)果分析

由圖3可知，當(dāng)車速為50km/h，且保證散熱器的進(jìn)風(fēng)量大于0.77kg/s，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速至少為2500~3000RPM才能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能不受影響。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的選擇時(shí)，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過(guò)低將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能力不足，影響車輛的安全性，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)產(chǎn)生過(guò)大噪音，影響車輛的NVH性能。因此，選擇冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2750RPM進(jìn)行新一輪的聯(lián)合仿真分析。

根據(jù)三維進(jìn)氣量仿真分析，當(dāng)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2750 RPM、車速為50km/h時(shí)，冷凝器的進(jìn)氣量為0.85kg/s，散熱器的進(jìn)風(fēng)量為0.82 kg/s。聯(lián)合一維仿真分析計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水端的冷卻液溫度為112.5℃，能夠滿足車輛開(kāi)發(fā)前期發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的要求。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度

4 結(jié)論

本文通過(guò)CFD一維和三維耦合的方法對(duì)某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。根據(jù)三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣量的仿真分析了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻模塊進(jìn)氣量的影響，再結(jié)合仿真結(jié)果選出合理的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并且驗(yàn)證了所選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的合理性。結(jié)果表明：

（1）隨著車速的提高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面的影響逐漸降低。當(dāng)車速小于60km/h時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)散熱器表面進(jìn)氣量的增加有明顯的作用。

（2）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在2750RPM時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水端水溫112.5℃，滿足車輛開(kāi)發(fā)前期發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻性能的要求，驗(yàn)證了三維分析的合理性。

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Study on Influence of Engine Cooling Fan on Thermal Management

Li Fei, Shi Pengfei, Yu Jianze

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The influence of engine cooling fan on thermal management is researched by using CFD software STAR CCM+ and AMEsim, a mathematic model of vehicle thermal management is established. At the same time, one-dimensional mathematic model of the engine cooling system is built. The airflow of radiator and condenser are obtained at different velocity and cooling fan speed, analyzed the relationship between cooling fan speed and airflow of cooling system at different velocity, the influence of radiator airflow on engine coolant temperature is also be analyzed. The results show that the effect of cooling fan speed on radiator airflow decreases with the velocity increase. When the speed is less then 60km/h, the cooling fan speed has an obvious effect on the increase of radiator airflow. With the vehicle development performance requirement, the reasonable speed of the engine cooling fan is determined by coupling simulation, and verified the rationality and reliability of the selected fan speed.

Thermal management; Cooling system; Cooling fan; Fan speed

U467

A

1671-7988(2019)14-95-04

U467

A

1671-7988(2019)14-95-04

李飛，工程師，碩士，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向?yàn)檎噭?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、熱管理及輕量化相關(guān)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.030