摘要

針對(duì)某款越野車發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)性能不足的問題,采用了一種以三維仿真為主、一維仿真為輔的分析方法,進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過三維仿真,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分析,找出了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫?zé)岷Σ课?通過一維仿真,得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度和中冷器熱端的出風(fēng)溫度,計(jì)算出了相應(yīng)的ATD值和中冷常數(shù)。在此基礎(chǔ)上,采用了加裝導(dǎo)流板的改進(jìn)方案,降低了中冷常數(shù)。仿真結(jié)果顯示:發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)中冷器上方區(qū)域存在明顯的熱回流情況,導(dǎo)致中冷常數(shù)偏高。加裝導(dǎo)流板后,中冷器的進(jìn)風(fēng)量有所增加,回流量有所減少,中冷常數(shù)從28 ℃降低到21.31 ℃。這為該款越野車型的研發(fā)提供了技術(shù)支持,縮短了研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞

發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理；三維仿真；一維仿真；流場(chǎng)與溫度場(chǎng)

主要內(nèi)容

１ 整車CFD模型的建立

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

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

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。

圖 ４ 換熱器的臺(tái)架試驗(yàn)示意圖

表 １ 各換熱器的多孔介質(zhì)參數(shù)

采用動(dòng)量源法設(shè)置風(fēng)扇的邊界條件。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

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) ， 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 Ｆ１ Ｃ 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)如表 ２ 所示。

表 ２ Ｆ１ Ｃ 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

根據(jù) Ｆ１ Ｃ 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。

圖 ７ Ｆ１ Ｃ 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線

表 ３ 仿真工況參數(shù)

2  發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性分析

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。

找到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的高溫?zé)岷Σ课缓螅?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。

圖 １１ 熱回流流線云圖

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。

圖 １４ 改進(jìn)前后的幾何模型示意圖

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课唬?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。

文獻(xiàn)來(lái)源:

王良模,張嘯天,王陶,等.某越野車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析與改進(jìn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2023,37(10):9-16.