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某車型發(fā)動機艙熱性能分析與改進

2020-07-31 22:34:11·  來源：汽車CFD技術(shù)之家  
　
摘要：汽車熱管理研究旨在保證汽車?yán)鋮s系統(tǒng)安全高效運行，考察發(fā)動機艙內(nèi)有無熱害風(fēng)險。本文應(yīng)用三維CFD 和一維相結(jié)合的仿真技術(shù)研究全新開發(fā)車型的熱性能。首先
摘要：汽車熱管理研究旨在保證汽車?yán)鋮s系統(tǒng)安全高效運行，考察發(fā)動機艙內(nèi)有無熱害風(fēng)險。本文應(yīng)用三維CFD 和一維相結(jié)合的仿真技術(shù)研究全新開發(fā)車型的熱性能。首先建立此車型一維冷卻系統(tǒng)匹配分析模型，結(jié)合環(huán)境艙EP 樣車熱平衡試驗，驗證各工況下此車型的熱平衡性能；其次基于CFD 軟件，建立此車型在相應(yīng)熱平衡工況下三維發(fā)動機艙溫度場仿真分析模型；最后，完成試驗與仿真的對標(biāo)，并對熱害風(fēng)險進行溫度場優(yōu)化分析，提出了有效的應(yīng)對措施。
 
前言：
轎車發(fā)動機艙散熱性能的好壞直接影響汽車的使用壽命及經(jīng)濟性、可靠性和動力性[1]。發(fā)動機艙內(nèi)的溫度直接影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，這決定了汽車熱平衡與熱管理的重要性[2]。汽車熱平衡與熱管理是從系統(tǒng)集成和整體角度，控制和優(yōu)化汽車的熱量傳遞過程，將各個部件冷卻系統(tǒng)、預(yù)熱與保溫系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)（聯(lián)合式暖風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)）等集成為一個有效的熱管理系統(tǒng)，保證關(guān)鍵部件或系統(tǒng)的安全高效運行。
 
風(fēng)洞試驗是汽車空氣動力學(xué)的傳統(tǒng)有效的方法，給出了汽車內(nèi)外流場的流動特性，為汽車初期設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。但是試驗對于發(fā)動機艙熱管理問題，難度大，費用高并且局限于車型開發(fā)后期，準(zhǔn)確性雖高，但無法指導(dǎo)車型開發(fā)系統(tǒng)選型前期的設(shè)計工作。

隨著計算流體力學(xué)模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，使用CFD 一維冷卻系統(tǒng)和三維溫度場聯(lián)合仿真分析，已經(jīng)成為機艙熱管理研究的主要手段。
1 一維冷卻系統(tǒng)分析
1.1 研究車型基礎(chǔ)狀態(tài)
研究車型的冷卻模塊從前向后依次為冷凝器、副散熱器、主散熱器和風(fēng)扇[3]。冷卻系統(tǒng)循環(huán)分為2 條回路：①發(fā)動機帶動的機械水泵為發(fā)動機主冷卻系統(tǒng)的水循環(huán)提供動力源，發(fā)動機在大循環(huán)工況時，產(chǎn)生過多的熱量被冷卻液帶走，分別進入暖風(fēng)芯體和主散熱器兩條支流，流經(jīng)主散熱器的液體經(jīng)冷卻，進入水泵后流入發(fā)動機，流經(jīng)暖風(fēng)芯體的液體同樣再次進入水泵流入發(fā)動機，如此保證主冷卻系統(tǒng)可以循環(huán)工作（圖1所示）。
 
②電子水泵為副冷卻系統(tǒng)的水循環(huán)提供了動力源，冷卻液經(jīng)水泵后，分為兩條支流，其一支流進入中冷器，帶走增壓后氣體的熱量，對增壓后的氣體進行冷卻，另一支流進入增壓器水套對增壓器進行冷卻，兩支流最后匯合為一條支流進入副散熱器進行散熱，之后重新回到水泵入口處進行循環(huán)流動（如圖2所示）。
 
1.2 模型建立
將各芯體進氣量作為一維匹配分析模型的空氣側(cè)邊界條件，進行水側(cè)標(biāo)定條件，因此需要首先進行三維CFD 流場分析。
1.2.1 三維CFD 流場分析模型建立
將整車CAD 數(shù)據(jù)進行幾何處理，二維網(wǎng)格模型導(dǎo)入流體計算軟件，建立流場分析模型。
 
冷凝器、副散熱器、主散熱器芯體作為多孔介質(zhì)處理，根據(jù)各芯體的流阻性能試驗數(shù)據(jù)，擬合粘性阻尼系數(shù)和慣性阻尼系數(shù)曲線，分別如下所示。
 
1.2.2 計算工況
結(jié)合熱平衡試驗，確定一維與三維仿真計算工況，如下所示。
 
1.2.3 三維機艙流場計算結(jié)果
計算得出各芯體的空氣側(cè)進風(fēng)量如下所示。
 
1.2.4 一維冷卻系統(tǒng)分析參數(shù)
本文采用一維仿真軟件，通過發(fā)動機、散熱芯體（散熱器、冷凝器、暖風(fēng)芯體）、風(fēng)扇、水泵等零部件臺架試驗數(shù)據(jù)的輸入，以及以上所述的三維CFD 仿真數(shù)據(jù)來搭建發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的模型。發(fā)動機主副冷卻循環(huán)散熱量、水冷機冷器(用管路模型代替)、中冷器(用管路模型代替)流阻、發(fā)動機水套流阻數(shù)據(jù)如下：
 
 
主副散熱器換熱性能Map及水側(cè)流動阻力如下圖（10-14）：
 
 
暖風(fēng)芯體內(nèi)流阻力與冷凝器芯體性能數(shù)據(jù)如下圖（14-15）：
 
風(fēng)扇性能參數(shù)如下圖（16-17）：
 
 
1.2.5 一維冷卻系統(tǒng)模型
基于整車空調(diào)及冷卻系統(tǒng)原理圖搭建一維水側(cè)分析模型（圖20-21），空氣側(cè)模型基于三維CFD流場仿真結(jié)果（圖10）。
 
基于三維機艙流場分析結(jié)果，可以得出上下格柵后的壓力損失值(如表1)，及Cp 值，高車速下，Cp 值分別為0.65、0.52，進氣面積分別為0.0454m²、0.0291 m²。
 
1.2.6 一維冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果
分析結(jié)果表明，熱平衡各工況下，該車型發(fā)動機出水溫度均未超過極限水溫，滿足要求，如下表2。
 
2 溫度場仿真分析
2.1 模型建立
機艙溫度場分析的目的是避免機艙內(nèi)部件出現(xiàn)過熱燒壞的問題， 因此用于計算溫度場的STAR-CCM+網(wǎng)格模型中部件選用原則是：①包含發(fā)熱元件，即發(fā)動機和排氣系統(tǒng)；②包含可能出現(xiàn)過熱損壞問題的部件，即離發(fā)熱元件較近，受熱輻射影響較大的部件；③包含在結(jié)構(gòu)上對發(fā)熱元件的熱輻射起到遮擋作用的部件，比如隔熱罩等。本次仿真分析包含了流體域、固體域、多孔介質(zhì)模型，對風(fēng)扇的仿真也將其設(shè)為單獨的流體域，設(shè)置風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動行為。其中根據(jù)主要部件的材料、顏色等進一步細(xì)化componment，主流體域共形成了150 個boundaries。
2.1.1 網(wǎng)格模型
計算流場尺寸：寬度為5 倍車寬，高度為3 倍車高，長度為7 倍車長，流場邊界地面應(yīng)適當(dāng)切除車輪高度，以模擬車輪受車重壓力變形。
分區(qū)加密，特別是冷卻模塊及進氣格柵的加密處理，提高計算精度。
采用trim 網(wǎng)格，各重要部件的邊界層拉伸處理，共生成體網(wǎng)格2000 萬。
2.1.2 物理模型
流體域物理模型：穩(wěn)態(tài)計算，環(huán)境溫度43℃，太陽輻射1000w/m²，理想氣體模型，考慮重力，K-ω湍流模型,灰色輻射模型[4]。定義了5 個不同材料的固體域物理模型，分別為鋁、鋼、橡膠、毛氈、復(fù)合材料（鋼夾石棉），屬性如表2。
 
2.2 邊界條件與求解設(shè)定
本文基于STAR-CCM+軟件進行溫度場的數(shù)值仿真計算。由于數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進行，因此在計算域的邊界上需要設(shè)置與實際情況相符合的邊界條件。仿真模擬計算域邊界條件的設(shè)置如表4所示。
 
參考熱平衡試驗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定計算工況，如下表5：
 
對于發(fā)動機、變速箱、排氣管等發(fā)熱部件，設(shè)置為溫度邊界條件，如下表6 。
 
2.3 換熱器的模擬
前段冷卻模塊包含冷凝器、副散熱器、主散熱器，每個換熱器模擬采用單流體換熱器模型，本文冷凝器的換熱量設(shè)定為固定功率（如圖15）。主副散熱器根據(jù)一維熱分析結(jié)果進行設(shè)置。
 
2.4 仿真結(jié)果
仿真分析發(fā)現(xiàn)蓄電池、離排氣管較近的防火墻附近存在熱害風(fēng)險。蓄電池極限工作溫度為90℃，圖中顯示45km/h 工況下，蓄電池表面溫度高達105℃，如圖23；防火墻極限工作溫度為200℃，圖24 中紅色區(qū)域表面溫度均超過200℃。
 
通常解決零部件熱害問題，首先考慮添加隔熱罩，經(jīng)與項目組協(xié)商，可添加蓄電池包裹罩、防火墻隔熱罩進行仿真優(yōu)化與試驗驗證分析，其中仿真優(yōu)化結(jié)果如下圖（25-26）：
 
3 熱平衡搭載溫度場試驗
3.1 試驗?zāi)康呐c試驗準(zhǔn)備
本次在公司環(huán)境艙進行熱平衡試驗?zāi)康氖窃u價熱平衡狀態(tài)下的冷卻系統(tǒng)性能與發(fā)動機艙熱負(fù)荷狀態(tài)、溫度場分析中存在的熱害風(fēng)險點，對前期的一維冷卻系統(tǒng)分析與溫度場仿真分析進行驗證。本次試驗使用K 型熱電偶測量各溫度測點，本文主要說明蓄電池添加包裹罩前后、中通道隔熱罩添加前后的溫度測點對比及散熱器進水溫度測點；通過安裝在散熱器迎風(fēng)面的葉輪風(fēng)速儀來測量冷
卻風(fēng)速。
 
3.2 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比
3.2.1 水溫對比
熱平衡水溫試驗結(jié)果如下圖28，由熱平衡試驗各工況下的水溫曲線可以看出，平衡時：工況1（140kph），發(fā)動機出水溫度為101℃；工況2（怠速），發(fā)動機出水溫度為93℃；工況3（45kph）,發(fā)動機出水溫度為111℃；工況4（熄火浸置），發(fā)動機出水最高溫度為102℃；工況5（120kph），發(fā)
動機出水溫度為107℃～111℃之間波動。
 
將發(fā)動機出水溫度試驗與仿真結(jié)果進行對比，如表7。
 
3.2.2 熱害點對比
在未添加蓄電池包裹罩、中通過隔熱罩前首先驗證了2 處的溫度值，試驗結(jié)果（圖29）顯示，蓄電池表面溫度最高達100℃，防火墻最高溫度達200℃，并且試驗后防火墻出現(xiàn)烤焦現(xiàn)象（圖30），存在嚴(yán)重?zé)岷︼L(fēng)險，這與仿真結(jié)果一致。
 
添加蓄電池包裹罩、中通道隔熱罩前后試驗與仿真結(jié)果對比如下表8。
 
仿真是理想狀態(tài)下的數(shù)值計算，換熱器的生銹及產(chǎn)生污垢等[5]均未考慮，而環(huán)境艙空間較小且密閉，同樣環(huán)境條件下，環(huán)境艙相對道路試驗[6]、風(fēng)洞試驗更加惡劣，仿真與試驗存在誤差是不可避免的，以上仿真與試驗的結(jié)果顯示，通過仿真可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品熱性能問題是可行的，而且可以縮短項目開發(fā)周期。
 
4 結(jié)論
本文主要研究了某車型的熱性能，通過對一維冷卻系統(tǒng)分析及三維溫度場仿真分析，形成了比較完整的熱管理體系，主要結(jié)論如下:
(1) 對此車型冷卻系統(tǒng)進行一維仿真分析，得出各工況下發(fā)動機水溫均滿足工作要求。
(2) 利用CFD 數(shù)值求解方法，對此車型進行了機艙溫度場仿真分析，發(fā)現(xiàn)存在兩處熱害風(fēng)險，通過添加隔熱罩的方法，消除了熱害風(fēng)險。
(3)結(jié)合公司熱平衡試驗規(guī)范，對此車型進行熱平衡搭載溫度場試驗，通過對比仿真與試驗結(jié)果，驗證了仿真的可靠性。
作者：丁樂芳，張丹 ，趙濤，鄭勇
北汽福田汽車股份有限公司
 
 
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