張英朝, 簡杰松, 張錦濤,等. 基于三維/一維強耦合模型的整車熱平衡與熱系統(tǒng)參數(shù)對性能影響的研究[J]. 汽車工程, 2022, 44(6):10.

摘要

汽車熱管理系統(tǒng)參數(shù)變化會對其各項性能產(chǎn)生影響，因此須運用新的研究手段來同時對熱管理系統(tǒng)不同維度的多項性能指標進行研究。本文利用AMESim和STAR-CCM+構建了一維/三維強耦合的汽車熱管理仿真模型。此模型可同時對不同熱平衡工況下的三維和一維溫度場和流場結(jié)果等多項性能進行研究。相對應的一維分析結(jié)果表明，爬坡工況下冷卻系統(tǒng)散熱能力最差，怠速工況下空調(diào)制冷能力最差。為研究熱管理系統(tǒng)參數(shù)的改變對其性能影響，分析了風扇和水泵的轉(zhuǎn)速對爬坡工況下冷卻系統(tǒng)散熱的影響以及風扇和壓縮機的轉(zhuǎn)速對怠速工況下空調(diào)系統(tǒng)制冷的影響。

前言

汽車熱管理技術被認為是21世紀汽車發(fā)展的關鍵技術之一，是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要手段［1］。就目前而言，汽車熱管理方面的研究已經(jīng)不再局限于單維度和單性能要求，而是需要針對多維度、多性能要求進行共同研究，系統(tǒng)間的參數(shù)變化會對各項性能產(chǎn)生影響，因此須運用新的研究手段來同時對多個維度的多項性能指標進行相應的研究。

一維仿真主要用以在汽車開發(fā)早期階段對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)和中冷油冷等系統(tǒng)進行建模［2-4］，所建立的模型用以換熱器等相關部件的選型設計、系統(tǒng)參數(shù)匹配和特定工況分析［5-7］，也用于基于所建立的熱管理系統(tǒng)的控制策略的制定［8-10］。三維仿真主要是描述三維空間內(nèi)的結(jié)構特征所引起的性能變化，主要包括部件結(jié)構的性能仿真和機艙內(nèi)部熱流場的優(yōu)化仿真［11-12］。而一維/三維聯(lián)合仿真作為目前熱管理研究的主流方法，結(jié)合了兩者各自的優(yōu)勢，既能反映三維空間上部件耦合的影響，又能體現(xiàn)系統(tǒng)級別的相關性能［13］。目前的一維/三維聯(lián)合方式多數(shù)采用的是弱耦合方式（數(shù)據(jù)傳遞是單向的或是手動式的雙向傳遞）［14-15］，并不能很好地解決兩者邊界條件輸入不明確的問題，且大部分發(fā)動機艙熱管理研究只關注空氣側(cè)的強化散熱及其結(jié)果好壞，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化規(guī)律及其影響研究較少。據(jù)此，本文的主要研究方法和內(nèi)容如下：

（1）首先運用AMESim 和STAR-CCM+ 搭建整車一維/三維強耦合（兩者可實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的實時交互傳遞）仿真模型，以便同時對多個維度的多項性能指標進行相應的研究。

（2）根據(jù)國標GB/T12534 和GB/T12542—2009確定了3種熱平衡仿真工況以及冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的評價指標。對3種熱平衡工況進行仿真分析，得出空調(diào)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)性能的最差工況。

（3）研究風扇、水泵和壓縮機轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化對熱管理系統(tǒng)內(nèi)部的其他參數(shù)和相應評價指標的影響規(guī)律。

1 聯(lián)合仿真模型建立

AMESim 和STAR-CCM+屬于同一公司的兩款軟件，兩者可以進行強耦合。本文中采用Libcosim庫聯(lián)合的方式，通過定義相應的數(shù)據(jù)變量進行一維和三維之間的聯(lián)合仿真。在強耦合中，兩款軟件同時進行仿真計算。數(shù)據(jù)交換的時間間隔為2 s。圖1展示了聯(lián)合仿真時的數(shù)據(jù)交互過程。使用三維雙流體換熱器模型對散熱器進行仿真計算，散熱器的空氣側(cè)和冷卻液側(cè)都由三維仿真計算；一維模型中所獲得的冷卻液流量、入口溫度和出口壓力作為邊界條件輸入至三維模型中，三維仿真中獲得的冷卻液出口溫度作為反饋量輸入至一維冷卻模型中再重新計算相應的冷卻液流量、入口溫度和出口壓力，通過如此往復，完成一維和三維數(shù)據(jù)的雙向傳遞。對于冷凝器而言，由于內(nèi)部涉及制冷劑的多相，本文中采用三維單流體換熱器模型以模擬冷凝器的換熱特征，對冷凝器空氣側(cè)部分進行三維仿真，而制冷劑側(cè)則采用一維計算，一維系統(tǒng)提供相應的冷凝器換熱量作為三維的輸入，三維仿真結(jié)果則提供冷凝器空氣側(cè)的入口空氣溫度和空氣流量。此外，將三維仿真得到的空氣阻力數(shù)據(jù)傳遞到一維冷卻系統(tǒng)中的發(fā)動機熱源模型中，以考慮不同工況下精確的空氣阻力貢獻對發(fā)動機散熱量的影響。具體的數(shù)據(jù)傳遞如表1所示。由AMESim搭建的一維冷卻系統(tǒng)回路和空調(diào)系統(tǒng)回路分別如圖2和圖3所示，冷卻系統(tǒng)回路包括水泵、發(fā)動機水套、節(jié)溫器、補償水桶、散熱器和暖風芯體等部件；空調(diào)系統(tǒng)回路主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成。采用STAR-CCM+來生成體網(wǎng)格，最終生成的體網(wǎng)格總數(shù)約為1 624萬，圖4和圖5分別展示了Y=0截面整車計算域和發(fā)動機艙內(nèi)的體網(wǎng)格劃分。

2 工況選定與性能評價

選擇怠速、爬坡和高速運行為仿真評價工況。各工況的行駛速度、擋位需求、坡度要求和環(huán)境溫度等相關參數(shù)如表2所示。

3 仿真結(jié)果與分析

3. 1 熱平衡工況結(jié)果與分析

3. 1. 1 三維流場溫度場

（1）怠速工況

怠速工況的流場如圖6所示。在怠速工況下，空氣流速極低，主要靠冷卻風扇來帶動周圍的空氣流動。該氣流不僅有從進氣格柵進入的艙外空氣，還包括滯止的艙內(nèi)空氣。發(fā)動機艙后方區(qū)域的整體氣流流速較低，不利于艙內(nèi)熱量從后方排出。

怠速工況的溫度場分布如圖7 所示?？梢钥闯?，由于怠速時發(fā)動機艙內(nèi)空氣整體流速很低，而且風扇所帶動的氣流多數(shù)是艙內(nèi)的滯止空氣，以至于熱量在艙內(nèi)堆積，整體上發(fā)動機艙內(nèi)的溫度維持在一個比較高的水平上，冷卻風扇后方整體區(qū)域的溫度為75. 9 ℃。還可以看出，下格柵處由于開口較大，風扇所吸入的新風量足以滿足其維持室溫的條件下抵達冷凝器的表面，而在上格柵處，由于其開口較小，進入的冷卻新風在周圍高溫氣流的換熱影響下到達冷凝器表面時其溫度已經(jīng)上升到了一個較高的水平。冷凝器和散熱器具體的迎風表面溫度分布如圖8所示，冷凝器和散熱器的平均進氣溫度分別為52. 5和62. 5 ℃。從冷凝器和散熱器的表面進風溫度分布可以看出，其進風溫度存在較強的不均勻性，不利于換熱器的散熱。

（2）爬坡工況

爬坡工況的流場如圖9所示?？梢钥闯鲇捎谲囕v行駛速度的上升，發(fā)動機艙前部由進氣格柵自然引入的新風量增加。在圖9中，由于冷凝器和散熱器的阻力特性的影響，下格柵所引入的氣流被分成了上下兩部分氣流，上下兩股氣流最終都發(fā)展成近乎平行于冷凝器表面的流動狀態(tài)，使得其原本的進氣沒有充分地與后面的散熱器進行熱交換而直接從上、下方溢出，不利于冷凝器和散熱器的散熱。其中，上格柵的進氣氣流受到下格柵進氣氣流的上洗阻礙作用，導致其未能很好地參與到冷凝器和散熱器的散熱過程中，而是隨著下格柵上洗氣流一起從上方溢出。此外，受到前方來流流速增加和風扇作用的影響，發(fā)動機艙內(nèi)后方出口區(qū)域的流速有所提升，有利于艙內(nèi)熱量從后方排出。

爬坡工況的溫度場如圖10所示?？梢钥闯?，由于車輛行駛速度的提高，艙內(nèi)增加了由進氣格柵引入的新風量，使得艙內(nèi)熱量不再堆積，艙內(nèi)高溫氣流不再充滿整個發(fā)動機艙，由艙外引入的冷卻氣流占據(jù)了冷凝器前方區(qū)域，艙內(nèi)冷熱流體出現(xiàn)大范圍明顯的分界。由于爬坡工況造成的發(fā)動機熱負荷增加，且低速導致的進風量不足，散熱器風扇處的核心區(qū)域溫度較高，風扇后方區(qū)域溫度達97. 81 ℃。此外，由于車速的上升，艙內(nèi)由進氣格柵引入的新風量增加，使得其可以在維持室溫的條件下抵達冷凝器的表面，有利于冷凝器和后面散熱器的散熱。冷凝器和散熱器的迎風表面溫度分布如圖11所示，可見冷凝器和散熱器的平均進氣溫度分別為35. 66 和53. 23 ℃。另外，由于上述流場所描述的換熱器前端氣流分布，換熱器的表面溫度呈現(xiàn)出較為平均的狀態(tài)，有利于換熱器的散熱。

（3）高速工況

高速工況的流場如圖12所示。發(fā)動機艙由進氣格柵引入的外界新風量增加，進氣流速進一步提高，與此同時進氣氣流由于冷凝器流阻而產(chǎn)生的沿冷凝器迎風表面平行流動狀態(tài)更加明顯，更多氣流直接從冷凝器表面的上、下方溢出，造成冷凝器芯體內(nèi)部氣流流量明顯減少，不利于冷凝器和散熱器的換熱。由上格柵引入的外界新風氣流受下格柵的上洗氣流的作用更加明顯，其與上洗氣流一起越過冷凝器的上端直接流向后上方。發(fā)動機艙上方和中后方氣流的流速進一步的提升，艙內(nèi)的熱量能夠更快速地排出。

高速工況的溫度場如圖13所示。可以看出，相比于爬坡工況，艙內(nèi)整體溫度和風扇后方區(qū)域核心溫度下降明顯，風扇后方區(qū)域的核心溫度為65. 09 ℃。在發(fā)動機艙前端處，艙內(nèi)冷熱流體的分界更加明顯，且由于由進氣格柵引入的新風量增加，冷凝器前方區(qū)域已完全被新風所覆蓋，換熱器的空氣側(cè)進氣溫度得到進一步的改善，有利于冷凝器和散熱器后續(xù)的散熱。冷凝器和散熱器的表面迎風溫度如圖14 所示，平均進氣溫度分別為35. 35 和43. 49 ℃，可以看出，冷凝器表面的進氣溫度分布較為平均，而散熱器表面進氣溫度呈現(xiàn)出中下部位溫度偏低，上下兩端溫度偏高的分布，分布狀況與爬坡工況有所不同，其原因在于下格柵引入的高速氣流直擊換熱器中下部位，該部位的新風量增加明顯，導致該處的溫度有所降低。

3. 1. 2 一維冷卻系統(tǒng)

圖15為不同行駛工況下許用環(huán)境溫度和相應熱負荷的對比?？梢钥闯?，爬坡工況下的許用環(huán)境溫度最低，為43. 14 ℃，說明爬坡工況下汽車的冷卻系統(tǒng)散熱狀況最差。對于3種工況下發(fā)動機的熱負荷而言，怠速工況由于負載小，熱負荷維持在一個較低的水平，爬坡和加速工況的熱負荷相近，都維持在一個較高的水平，其中加速工況的熱負荷更高。

3. 1. 3 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)果分析

圖16 為不同行駛工況下乘員艙內(nèi)的環(huán)境溫度、進氣溫度和蒸發(fā)器制冷量對比。可以看出，就乘員艙平均溫度而言，怠速工況下的艙內(nèi)環(huán)境溫度最高，為32 ℃，系統(tǒng)在該工況下的制冷能力最差。

3. 2 整車熱管理系統(tǒng)參數(shù)對性能的影響

本節(jié)針對怠速工況空調(diào)制冷能力最差、爬坡工況下汽車的冷卻系統(tǒng)散熱狀況最差，應用汽車熱管理模型的一維仿真結(jié)果研究了不同風扇轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、壓縮機轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)特性的變化。

3. 2. 1 風扇轉(zhuǎn)速

風扇轉(zhuǎn)速的變化會同時影響到散熱器和冷凝器的空氣側(cè)特性。

（1）對冷卻系統(tǒng)性能的影響

根據(jù)對3種工況的冷卻系統(tǒng)分析，確定以爬坡工況作為冷卻系統(tǒng)分析的基本工況。風扇轉(zhuǎn)速在1 500~2 500 r/min范圍內(nèi)變動，分析不同風扇轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)性能的變化。仿真結(jié)果如圖17 和圖18所示。

從圖17可以看出，隨著風扇轉(zhuǎn)速的上升，許用環(huán)境溫度從43. 14 上升到48. 49 ℃，上升幅度為12. 4％，可見提高風扇轉(zhuǎn)速可以有效地提升許用環(huán)境溫度，從而改善整車冷卻系統(tǒng)的性能，其原因在于風扇轉(zhuǎn)速的提升降低了散熱器的空氣側(cè)入口溫度，提高了散熱器的進氣流量，從而增強了散熱器空氣側(cè)的冷卻能力。由圖18可見，隨著風扇轉(zhuǎn)速的上升，散熱器進氣溫度從53. 23降低到48. 6 ℃，下降幅度為8. 7％ ，散熱器進氣流量從0. 437 提高至0. 798 kg/s，上升幅度為82. 61％。

（2）對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

由于在3種工況條件下，怠速工況下空調(diào)系統(tǒng)的性能最差，所以選擇怠速工況作為空調(diào)系統(tǒng)分析的基本工況，分析風扇轉(zhuǎn)速在1 500~2 500 r/min范圍變化時，空調(diào)性能特性的改變。

圖19為空調(diào)系統(tǒng)性能指標隨風扇轉(zhuǎn)速而變化的曲線。由圖可見，隨著風扇轉(zhuǎn)速的提高，乘員艙平均溫度從32. 01下降至31. 84 ℃，溫度只下降0. 17 ℃，下降幅度僅為0. 53％，說明通過提高風扇轉(zhuǎn)速來改善乘員艙溫度只能起到微弱的效果。制冷系數(shù)從2. 87增加到3. 09，增長幅度為7. 67％，說明風扇轉(zhuǎn)速的提升在一定程度上可以改善空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3. 2. 2 水泵轉(zhuǎn)速

本節(jié)以爬坡工況作為冷卻系統(tǒng)的分析工況，分析不同水泵轉(zhuǎn)速對冷卻系統(tǒng)性能的影響。其中水泵轉(zhuǎn)速受到發(fā)動機所帶動的皮帶傳動比控制，傳動比設置為1. 5~1. 7，對應的水泵轉(zhuǎn)速為4 177~4 734 r/min。

圖20為許用環(huán)境溫度和散熱器冷卻液側(cè)流量隨水泵轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可見，隨著水泵轉(zhuǎn)速的提高，散熱器液側(cè)入口流量增長，許用環(huán)境溫度上升。水泵轉(zhuǎn)速從4 177提高至4 734 r/min時，入口流量從1. 265提升至1. 445 kg/s，上升幅度為14. 23％，而許用環(huán)境溫度從43. 14 上升至43. 46 ℃，只升高0. 32 ℃，上升幅度僅為0. 74％。說明在該工況下，僅依靠提高水泵轉(zhuǎn)速來提高冷卻液流量的方式并不能有效提升許用環(huán)境溫度，即需要通過增強空氣側(cè)冷卻能力來改善冷卻系統(tǒng)性能。

3. 2. 3 壓縮機轉(zhuǎn)速

選擇怠速工況作為分析工況，分析壓縮機速比的改變使制冷劑流量變化對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。速比變化范圍為1. 32~1. 72。

圖21為空調(diào)系統(tǒng)性能指標隨壓縮機速比而變化的曲線。由圖可見，乘員艙平均溫度和制冷系數(shù)都隨壓縮機速比呈反比關系。隨著壓縮機速比的提升，艙內(nèi)溫度由32. 01下降至30. 51 ℃，溫度降低了1. 5 ℃，下降幅度為4. 69％，與提高風扇轉(zhuǎn)速相比，提高壓縮機轉(zhuǎn)速對降低乘員艙平均溫度更有效。制冷系數(shù)則從2. 87降低至2. 57，下降幅度為10. 45％，說明提高壓縮機轉(zhuǎn)速使空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性變差。

圖22和圖23分別為冷凝器進氣溫度和空調(diào)系統(tǒng)性能參數(shù)隨壓縮機速比而變化的曲線。由圖可見，壓縮機速比從1. 32提升至1. 72時，冷凝器空氣側(cè)入口溫度從52. 5上升至55. 3 ℃，升幅為5. 33％。原因是隨著壓縮機轉(zhuǎn)速上升，冷凝器排向空氣的熱量增加，發(fā)動機艙內(nèi)空氣整體流速很低，而且風扇所引入的艙外冷卻新風量有限，風扇所帶動的氣流多數(shù)是艙內(nèi)的滯止空氣，以至于熱量在艙內(nèi)的堆積現(xiàn)象更加嚴重，導致冷凝器進口溫度上升。在冷凝器進氣溫度上升的影響下，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力下降而冷凝壓力上升。蒸發(fā)壓力的下降導致蒸發(fā)溫度下降，使得蒸發(fā)器與周圍空氣之間的溫差加大，導致制冷量上升。而冷凝壓力的上升導致膨脹閥進出口的壓差增大，節(jié)流降壓損失提高，進而造成壓縮機功耗上升。

4 結(jié)論

本文利用AMESim和STARCCM+建立強耦合的汽車熱管理模型，此模型可以很好解決兩者邊界問題，并能同時對熱管理系統(tǒng)不同維度的多項性能指標進行研究，得到如下結(jié)論。

（1）熱平衡三維仿真結(jié)果表明：怠速工況下，發(fā)動機艙流速很低，整體上發(fā)動機艙內(nèi)的溫度維持在一個比較高的水平上；爬坡工況下，發(fā)動機艙內(nèi)的氣流整體流動狀態(tài)有所改善，艙內(nèi)高溫氣流不再充滿整個發(fā)動機艙，艙內(nèi)冷熱流體出現(xiàn)大范圍明顯的分界。但由于爬坡工況發(fā)動機熱負荷增加，導致散熱器風扇處的核心區(qū)域溫度上升；高速工況下，發(fā)動機艙內(nèi)的氣流流動狀態(tài)得到很大改善，發(fā)動機艙內(nèi)的熱量堆積情況得到緩解，艙內(nèi)整體溫度和風扇后方核心區(qū)域溫度明顯下降。

（2）熱平衡一維仿真結(jié)果表明：爬坡工況下，由于較高的發(fā)動機熱負荷和較弱的空氣側(cè)冷卻能力，故該工況下的冷卻系統(tǒng)性能最差；而怠速工況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷性能最差。系統(tǒng)制冷性能最差。

（3）改變風扇轉(zhuǎn)速結(jié)果表明：爬坡工況下，提高風扇轉(zhuǎn)速可有效地提升冷卻系統(tǒng)許用環(huán)境溫度，而怠速工況下提高風扇轉(zhuǎn)速引起的乘員艙平均溫度降幅程度較小，但風扇轉(zhuǎn)速的提升在一定程度上可以改善空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

（4）水泵轉(zhuǎn)速一維仿真結(jié)果表明：爬坡工況下，提高水泵轉(zhuǎn)速并不能有效地提高許用環(huán)境溫度，需要通過增強散熱器空氣側(cè)的冷卻能力來提升冷卻系統(tǒng)性能。

（5）壓縮機轉(zhuǎn)速一維仿真結(jié)果表明：怠速工況下，提高壓縮機轉(zhuǎn)速比提高風扇轉(zhuǎn)速能更有效地降低乘員艙平均溫度，但空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性變差，同時還會造成冷凝器進氣溫度升高。

綜上所述，文中所建立模型實現(xiàn)一維和三維軟件數(shù)據(jù)的實時雙向傳遞，可以同時對三維溫度場與流場和一維結(jié)果等多項性能進行研究，更好地反映系統(tǒng)參數(shù)變化及其影響。故該模型能更全面地模擬汽車熱管理系統(tǒng)的性能