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        汽車(chē)熱管理瞬態(tài)分析與應(yīng)用

        2014-02-27 02:48:28陳鴻明武亞嬌華益新楊雪松
        汽車(chē)工程 2014年2期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        陳鴻明,武亞嬌,華益新,楊雪松

        (泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

        前言

        目前國(guó)內(nèi)較多整車(chē)熱管理仿真計(jì)算是針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行,采用的方法是依據(jù)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果再加上一些工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)整車(chē)熱性能做出整體判斷[1-2],而對(duì)于某些較為復(fù)雜的瞬態(tài)工況(例如發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和熄火之后的過(guò)程)并不能進(jìn)行合理的評(píng)估[3],導(dǎo)致無(wú)法在開(kāi)發(fā)前期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該零件的耐熱特性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。零件承受的溫度和在該溫度下所經(jīng)受的時(shí)間是制約零件使用壽命的兩個(gè)關(guān)鍵因素,所以整車(chē)熱分析不僅要計(jì)算出零件可能承受的溫度,同時(shí)也要準(zhǔn)確推斷出在該溫度下能正常工作的時(shí)間,這樣才能準(zhǔn)確計(jì)算出零件在整車(chē)上的使用壽命。本文中采用瞬態(tài)熱分析軟件RadTherm,對(duì)車(chē)輛在經(jīng)歷惡劣工況后的熄火過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算,準(zhǔn)確模擬出該過(guò)程受熱零件的溫度變化和持續(xù)時(shí)間,從而為零件的使用壽命評(píng)估提供依據(jù)。

        1 瞬態(tài)工況計(jì)算方法

        1.1 瞬態(tài)工況

        本文中所描述的瞬態(tài)工況類(lèi)似在山路上的爬坡過(guò)程,即以某一穩(wěn)定速度爬過(guò)固定坡度的坡道,然后熄火停車(chē)。在此過(guò)程中,勻速爬坡行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)前艙主要的傳熱方式為強(qiáng)迫對(duì)流換熱和輻射傳熱,冷卻風(fēng)扇處于最高轉(zhuǎn)速狀態(tài);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí),前艙空氣流動(dòng)轉(zhuǎn)為自然對(duì)流換熱和輻射傳熱,冷卻風(fēng)扇處于關(guān)閉狀態(tài),此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)前艙內(nèi)排氣管溫度不會(huì)瞬間降低,而是有一個(gè)緩慢降溫的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中其周?chē)慵艿絹?lái)自排氣管的持續(xù)烘烤,而沒(méi)有強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)其進(jìn)行冷卻,零件溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇升高,并持續(xù)一段時(shí)間之后才會(huì)下降。由于各零件與排氣管的距離和本身材料屬性的不同會(huì)導(dǎo)致各個(gè)零件的溫升數(shù)值和持續(xù)時(shí)間不同,RadTherm主要是對(duì)此溫升過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算,得到受熱零件的溫度變化曲線,從而根據(jù)零件的溫度要求來(lái)判斷該零件在溫升過(guò)程中是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        圖1為某一前艙零件在進(jìn)行整車(chē)熱性能試驗(yàn)之后的溫度曲線。從圖中看出,該零件在爬坡過(guò)程中溫度沒(méi)有超過(guò)其材料自身溫度限值,但在熄火之后,溫度超過(guò)溫度限值并持續(xù)一段時(shí)間,零件這種超過(guò)耐溫限值的狀態(tài)稱(chēng)為熱疲勞狀態(tài),長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致零件失效,影響車(chē)輛行駛安全。因此采用RadTherm軟件在開(kāi)發(fā)前期對(duì)可能遇到的惡劣工況進(jìn)行仿真分析計(jì)算,確定零件耐溫特性是否滿(mǎn)足整車(chē)熱性能要求就顯得非常重要。

        1.2 RadTherm計(jì)算理論[4]

        RadTherm通過(guò)求解能量方程和熱輻射封閉方程得出控制方程。首先,RadTherm遵循熱力學(xué)第一定律,能量在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中總和不變,有

        (1)

        式中:E為系統(tǒng)內(nèi)能;Q為熱量。

        將式(1)展開(kāi)可得到

        (2)

        式中:m為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量;T為節(jié)點(diǎn)溫度;Cp為材料的等壓比熱容;Qconv、Qcond和Qrad分別為節(jié)點(diǎn)通過(guò)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射3種傳熱方式所吸收的熱量;Qimposed為節(jié)點(diǎn)所吸收的外部熱源(如太陽(yáng)能或者電能)熱量。用傳熱學(xué)理論將Qconv和Qcond展開(kāi),可得k節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)能量方程為

        Qradk+Qimpk

        (3)

        式中:hk為對(duì)流換熱系數(shù);Ak為接受對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)的面積;Tf為周?chē)黧w的來(lái)流溫度;kkj為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù);Akj為k節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)之間的接觸面積;Lkj為k節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)之間的距離。Qradk為輻射項(xiàng),可從熱輻射的封閉方程獲得,假設(shè)物體為灰體,輻射方式為漫反射,參與輻射的物體表面為N,那么熱輻射的封閉方程為

        (4)

        式中:εj為j節(jié)點(diǎn)面的發(fā)射率;Fk-j為從k節(jié)點(diǎn)面到j(luò)節(jié)點(diǎn)面的角系數(shù);σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù);Aj為節(jié)點(diǎn)面面積;δkj為克羅內(nèi)克函數(shù)。由式(4)求解Qk:

        (5)

        Qk項(xiàng)為k節(jié)點(diǎn)面的輻射損失,和式(3)中的-Qradk相等。將式(3)中的Qradk用-Qk代替可得

        (6)

        式(5)和式(6)就是RadTherm軟件求解溫度分布的控制方程。

        1.3 RadTherm計(jì)算瞬態(tài)工況[5]

        本文中計(jì)算的瞬時(shí)工況從勻速爬坡開(kāi)始,直到發(fā)動(dòng)機(jī)熄火之后一段時(shí)間結(jié)束,計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2。工況1是勻速爬坡的開(kāi)始(t=0);工況2是勻速爬坡經(jīng)過(guò)30min運(yùn)行結(jié)束(t=30min),工況2′是熄火狀態(tài)的開(kāi)始(t=30min+步長(zhǎng)),工況2和工況2′在實(shí)際狀態(tài)應(yīng)該是同一點(diǎn),但因計(jì)算中須設(shè)置邊界條件,故將二者之間用一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)隔開(kāi);工況3是熄火的終止?fàn)顟B(tài)(t=50min),這4個(gè)工況車(chē)輛和冷卻風(fēng)扇狀態(tài)見(jiàn)表1。

        表1 不同工況的車(chē)輛行駛和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)

        這4個(gè)工況點(diǎn)均是以Fluent計(jì)算的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)換熱系數(shù)和流體溫度作為RadTherm瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件,在工況2′和工況3兩個(gè)時(shí)刻之間排氣管的溫度在緩慢下降,如果只導(dǎo)入工況2′和工況3的邊界,RadTherm只會(huì)對(duì)導(dǎo)入的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值,得到的計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際差別較大。本文中在這兩個(gè)工況點(diǎn)之間插入3個(gè)耦合計(jì)算的工況點(diǎn),使排氣管溫度變化過(guò)程和零件周?chē)倪吔鐥l件更加符合實(shí)際狀態(tài)。

        2 模型建立

        2.1 網(wǎng)格模型建立

        基于某四缸缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)轎車(chē)建立數(shù)學(xué)模型,主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)前艙離排氣歧管較近的零件和車(chē)輛底盤(pán)排氣管附近的零件。模型的建立分為兩部分,一部分用于Fluent穩(wěn)態(tài)計(jì)算,另外一部分用于RadTherm瞬態(tài)計(jì)算。具體模型見(jiàn)圖3。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型大概包括120個(gè)零件,90萬(wàn)三角形面網(wǎng)格單元;瞬態(tài)計(jì)算提取發(fā)動(dòng)機(jī)前艙距離隔音棉較近的排氣管和隔音棉作為研究對(duì)象。

        2.2 RadTherm計(jì)算邊界條件

        計(jì)算邊界條件包括兩部分,一部分是通過(guò)Fluent計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)換熱結(jié)果作為邊界條件,其中穩(wěn)態(tài)計(jì)算的邊界條件主要有排氣流量、溫度和環(huán)境溫度,另一部分為各個(gè)零件材料本身的參數(shù)設(shè)置。本文中主要研究瞬態(tài)計(jì)算,所以關(guān)于穩(wěn)態(tài)計(jì)算的參數(shù)設(shè)置不予詳述。在這里要特別提出的是零件材料的反射率和吸收率的設(shè)定,反射率和吸收率不僅與材料本身有關(guān),且與零件表面的氧化程度也有很大關(guān)系。所采用的各種材料反射率和吸收率均來(lái)自于公司內(nèi)部材料數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)車(chē)輛的使用情況和零件的氧化程度選擇對(duì)應(yīng)的反射率和吸收率。

        穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)束后,從Fluent軟件導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)作為RadTherm瞬態(tài)計(jì)算的初始邊界條件,導(dǎo)出結(jié)果主要包含與各個(gè)零件表面相接觸的流體溫度和零件表面的熱交換系數(shù)等。零件的材料屬性需要重新設(shè)置,主要有熱傳導(dǎo)率、反射率、吸收率和材料厚度等。需要特別注意的是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管和內(nèi)部氣體的邊界設(shè)置,圖4給出內(nèi)部氣體溫度和流量曲線。排氣流量在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后降為零,但是排氣管表面和內(nèi)部氣體的溫度并不會(huì)立刻冷卻下來(lái),通過(guò)耦合計(jì)算得出排氣管表面和內(nèi)部氣體溫度的緩慢降溫過(guò)程作為瞬態(tài)計(jì)算的最終邊界條件[6]。

        3 瞬態(tài)工況分析結(jié)果

        3.1 驗(yàn)證仿真的可行性

        通過(guò)RadTherm的瞬態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,進(jìn)而驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。圖5給出隔音棉上測(cè)點(diǎn)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖可見(jiàn),仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果溫度要高,主要原因在于Fluent穩(wěn)態(tài)計(jì)算給定的排氣溫度邊界條件比實(shí)際測(cè)量溫度高,導(dǎo)致仿真結(jié)果數(shù)值比試驗(yàn)結(jié)果偏高。另外,從第30min開(kāi)始(即熄火開(kāi)始),1點(diǎn)和3點(diǎn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,主要是由于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后,經(jīng)過(guò)耦合計(jì)算后得出的排氣管溫度邊界準(zhǔn)確度較高,使仿真結(jié)果更加接近試驗(yàn)值。但是2點(diǎn)的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差20℃,主要原因在于,2點(diǎn)附近有制動(dòng)管和空調(diào)管等一些直徑較小的管路,在建模初期,未建立這些管路模型,導(dǎo)致仿真過(guò)程中此處附近對(duì)流換熱情況比實(shí)際情況好,所以仿真結(jié)果的溫升沒(méi)有試驗(yàn)結(jié)果的高。

        綜合比較RadTherm仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后,可以得到以下結(jié)論:一方面,如果能將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的小零件也包含在計(jì)算模型中(主要是管路和線束),那么熱管理仿真計(jì)算在車(chē)輛開(kāi)發(fā)前期預(yù)測(cè)零件溫度的準(zhǔn)確度就會(huì)提高,進(jìn)而可以采取有效措施保護(hù)耐熱較差的區(qū)域,減少后期開(kāi)發(fā)成本;另一方面,即使建立的數(shù)學(xué)模型并不是十分完善,也可以通過(guò)瞬態(tài)仿真的溫升趨勢(shì),結(jié)合周?chē)渌慵牟贾们闆r,推斷出零件受熱情況,在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

        3.2 RadTherm瞬態(tài)計(jì)算在車(chē)輛開(kāi)發(fā)前期的應(yīng)用

        本文中對(duì)某轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前圍板隔音棉進(jìn)行了瞬態(tài)仿真計(jì)算,隔音棉的作用在于減小從發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳遞到乘客艙的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲,如果表面溫度過(guò)高將導(dǎo)致隔音棉老化,進(jìn)而降低隔音效果,更嚴(yán)重的是導(dǎo)致隔音棉起火。

        圖6為隔音棉在沒(méi)有隔熱鋁箔情況下的溫度分布。從圖6和圖5可以看出,隔音棉中間深色區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其溫度限值,在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后的4min內(nèi)達(dá)到峰值,整個(gè)過(guò)程中超過(guò)溫度限值的時(shí)間持續(xù)了9min,所以隔音棉過(guò)熱區(qū)域需要加設(shè)隔熱罩。圖7為隔熱罩的原始設(shè)計(jì)方案,該方案是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來(lái)的。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,原始設(shè)計(jì)方案已經(jīng)能使隔音棉滿(mǎn)足熱性能要求,但還沒(méi)有達(dá)到最佳效果。圖8的隔熱罩根據(jù)瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果得出改進(jìn)方案,而圖9為隔熱罩改進(jìn)后隔音棉的溫度分布圖。從圖中可以看出,改進(jìn)方案能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,而且改進(jìn)后的隔熱罩面積只有原先的40%,選用改進(jìn)方案可以節(jié)省成本60%??傊?,單純的穩(wěn)態(tài)計(jì)算已經(jīng)不能滿(mǎn)足整車(chē)開(kāi)發(fā)需求,將瞬態(tài)計(jì)算加入到整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程是很有必要的。

        4 結(jié)論

        (1) 在車(chē)輛開(kāi)發(fā)前期,利用虛擬技術(shù)對(duì)靠近排氣系統(tǒng)附近的零件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算分析是可行和必要的,而且這種計(jì)算方法簡(jiǎn)便、快捷,可以在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期的整車(chē)熱管理中得到廣泛應(yīng)用。

        (2) 利用瞬態(tài)分析手段,對(duì)隔音棉隔熱罩進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),通過(guò)比較改進(jìn)前后的溫度場(chǎng)分布,最終選用改進(jìn)方案,使零件成本降低60%。

        (3) 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在5%~10%之間,主要與數(shù)模網(wǎng)格建立的完善程度有關(guān),直徑10mm以上的管路應(yīng)該體現(xiàn)在計(jì)算模型中,這樣才能保證真實(shí)的對(duì)流換熱和熱輻射環(huán)境,為瞬態(tài)計(jì)算提供準(zhǔn)確的邊界條件,從而得到更為精確的計(jì)算結(jié)果。

        [1] Alkidas A C, Battiston P A. Thermal Studies in the Exhaust System of a Diesel-Powered Light-Duty Vehicle[C]. SAE Paper 2004-01-0050.

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