劉 鵬， 劉二寶， 劉成文

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000)

0 引言

在整車性能開發(fā)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻是影響其使用壽命、排放及油耗的重要因素，冷凝器散熱對(duì)駕駛室空調(diào)降溫性能有重要影響;試驗(yàn)表明，若滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和空調(diào)降溫性能要求，首先應(yīng)有適量的外界冷卻空氣流過冷卻模塊，將熱量帶走;同時(shí)流過冷卻模塊的被加熱空氣在機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)要合理，避免回流和渦流的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確計(jì)算流過散熱器、冷凝器、中冷器、油冷器等部件的冷卻空氣的流量，對(duì)機(jī)艙內(nèi)的各部件進(jìn)行合理布置，提出合理的性能參數(shù)，是保證車輛散熱性能的重要前提［1］。

1 機(jī)艙熱管理試驗(yàn)研究

在上海同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心對(duì)某款排量為1.5 L手動(dòng)5速轎車進(jìn)行了機(jī)艙熱管理和空調(diào)降溫性能試驗(yàn)測(cè)試，以了解車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻和空調(diào)制冷效果。

根據(jù)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及空調(diào)系統(tǒng)的配置，共進(jìn)行了三種工況的測(cè)試如表1，在冷凝器與散熱器中間位置共布置了16個(gè)風(fēng)速流量計(jì)如圖1所示，詳細(xì)測(cè)取流過冷凝器和散熱器的風(fēng)速和流量。

表1 機(jī)艙熱管理試驗(yàn)工況

怠速(工況1)、最大扭矩(工況2)、70%最高車速(工況3)三種工況下通過冷凝器的風(fēng)速結(jié)果如表2所示(列表中的測(cè)點(diǎn)編號(hào)與圖1風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn)布置編號(hào)相對(duì)應(yīng))。

表2 三種工況下風(fēng)速儀的風(fēng)速m/s

三種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出口水溫及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度如表3所示。三種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出口水溫差均在5℃以上，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的要求;前排及后排乘客座頭部溫度在25℃左右，滿足人體舒適性要求。

圖1 散熱器前部風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn)布置

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口水溫及機(jī)油溫度

2 模型建立

機(jī)艙熱管理分析中，對(duì)進(jìn)入機(jī)艙的冷卻空氣影響比較大的重要部件有前保險(xiǎn)杠、前保險(xiǎn)杠進(jìn)風(fēng)格柵、散熱器、冷凝器、風(fēng)扇、冷卻系統(tǒng)導(dǎo)流板、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等，這些部件的結(jié)構(gòu)形狀均較復(fù)雜，建立模型時(shí)較為困難，在分析模型建立時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注，需要考慮模型的細(xì)節(jié)保持和流體網(wǎng)格尺寸大小等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響［2］，需要考察各部件位置關(guān)系、性能參數(shù)等對(duì)機(jī)艙散熱的影響。

2.1 理論基礎(chǔ)

應(yīng)用于轎車開發(fā)的流體分析，其分析的馬赫數(shù)通常在0.3以下，此時(shí)可以認(rèn)為空氣是不可壓縮的氣體［2］，基于此假設(shè)，描述定常不可壓粘性流體的基本方程是Navier-Stokes方程，要完全求解N-S方程，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，目前還不能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的是雷諾時(shí)均N-S方程

式中，i=1，2，3表示坐標(biāo)軸的三個(gè)方向;xj是坐標(biāo)的三個(gè)分量。

k方程

ε方程

式中，為渦粘性系數(shù)。

對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)”的k-ε模型，其常數(shù)值為:σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09。

2.2 計(jì)算模型及邊界設(shè)定

建立有限元計(jì)算模型，設(shè)定流體計(jì)算域車前2倍車長(zhǎng)，車后4倍車長(zhǎng)，寬度共6倍車寬，高度為5倍車高;邊界層2層，總厚度為4.6 mm;前保險(xiǎn)杠進(jìn)氣格柵部分做出詳細(xì)的特征線，保持形狀特征，網(wǎng)格大小在2 mm左右，對(duì)冷凝器、散熱器、風(fēng)扇等部件進(jìn)行網(wǎng)格加密，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速進(jìn)行包面處理，保持相對(duì)完整的結(jié)構(gòu)特征，整個(gè)模型流體單元數(shù)為1 000萬個(gè)，機(jī)艙部分體網(wǎng)格如圖2所示。

對(duì)于散熱器和冷凝器的風(fēng)阻特性采用多孔介質(zhì)porous medium屬性來模擬，根據(jù)實(shí)際工況和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試在2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s下通過冷凝器和散熱器在其厚度方向上的壓力降，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3;風(fēng)扇模擬采用MRF隱式算法，湍流模型選擇推薦的k-ε高雷諾數(shù)模型，出口采用outlet邊界［3-4］。

圖2 機(jī)艙熱管理分析模型(機(jī)艙部分+剖面)

圖3 散熱器的風(fēng)阻曲線

3 結(jié)果分析

對(duì)上述三種工況在理論狀態(tài)下的情況進(jìn)行了首輪仿真計(jì)算，統(tǒng)計(jì)了流過冷凝器、散熱器的冷卻空氣的流速和流量，發(fā)現(xiàn)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差如表4所示，其中最大扭矩工況誤差在12%，70%最高車速工況誤差在20%以上。針對(duì)此誤差，首先對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，從測(cè)試結(jié)果來看在三個(gè)工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)值均存在不同程度的偏差;針對(duì)此轉(zhuǎn)速偏差，需要進(jìn)一步的修正分析。對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)修正后的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表4 風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下通過冷凝器風(fēng)速與流量

表5 風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速

表6 修正風(fēng)扇轉(zhuǎn)速后的流過冷凝器風(fēng)速與流量

從仿真計(jì)算和試驗(yàn)的誤差分析來看，在怠速時(shí)，由于車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，流過冷凝器和散熱器的冷卻空氣只有風(fēng)扇來驅(qū)動(dòng)，沒有額外因素對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 400 r/min左右，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速接近，計(jì)算與試驗(yàn)的誤差在3%左右，結(jié)果較為理想;在最大扭矩和70%最高車速工況下，流過冷凝器的空氣流速與風(fēng)扇和車速有關(guān)，同時(shí)車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)有擾動(dòng)影響，如果不對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速做修正分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，對(duì)于排量在1.5 L的發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速、最大扭矩、70%最高車速工況下通過冷凝器、散熱器的冷卻空氣的流量分別在1 500 m3/h、2 000 m3/h、2 300 m3/h以上時(shí)，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻散熱及空調(diào)降溫的需要;

(2)測(cè)試和仿真結(jié)果表明，在不同的工況下風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速有一定的差距，這些誤差對(duì)冷卻空氣流量有較大影響，在分析中需要重點(diǎn)考慮和識(shí)別。

［1］姚仲鵬，王新國(guó).車輛冷卻傳熱［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］谷正氣.汽車車身外流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算與應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械系，1994.

［4］羅建曦，張揚(yáng)軍.汽車底部復(fù)雜流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.汽車工程，2003，25(4):330-333.