肖 能，王小碧，史建鵬

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

某車型機(jī)艙熱管理仿真分析及優(yōu)化

肖 能，王小碧，史建鵬

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

本文采用CFD仿真分析方法對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)和溫場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，考慮熱對(duì)流與熱輻射的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差控制在10%以內(nèi)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理工程設(shè)計(jì)的需求；并在此基礎(chǔ)上提出冷卻模塊中置與偏置兩種改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)比選出效果較好的偏置方案進(jìn)行下一輪優(yōu)化仿真分析；在第二輪偏置方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)得到改善，各零部件溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

熱管理；CFD；發(fā)動(dòng)機(jī)艙；優(yōu)化

1 引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，現(xiàn)代汽車機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局越來(lái)越緊湊，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能提出了更高的要求。車前格柵開(kāi)口位置與進(jìn)氣面積、冷卻模塊性能、發(fā)動(dòng)機(jī)艙類各零部件的相對(duì)位置等因素，都影響著機(jī)艙內(nèi)部的散熱性能，因此必須采取有效地措施來(lái)進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的分析與設(shè)計(jì)。

事實(shí)證明，CFD仿真分析方法是低成本、高效率進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種有效手段。采用CFD仿真分析方法進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析，能夠直觀地得到機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)和溫度分布情況，從而快速找到問(wèn)題，合理優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部形成流動(dòng)死區(qū)和局部溫度過(guò)高，從而可以有效減少研發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本。

本文采用Star-CCM+軟件對(duì)某自主品牌轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析，先將仿真分析結(jié)果與初期設(shè)計(jì)車型機(jī)艙熱管理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)不同進(jìn)氣格柵、不同冷卻模塊位置的仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，然后選出機(jī)艙內(nèi)布局比較合理的方案進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算模型與邊界條件

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析的模型包括車身外部、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)鈑金件、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、蓄電池，進(jìn)排氣系統(tǒng)、ECU、轉(zhuǎn)向機(jī)等影響前艙空氣流動(dòng)的主要部件，在Star-CCM+中進(jìn)行包面處理，同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)硬件，調(diào)整網(wǎng)格疏密度，在機(jī)艙內(nèi)部重要的位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終生成的機(jī)艙內(nèi)部網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 邊界條件

本次計(jì)算60 km/h爬坡工況，同時(shí)考慮熱對(duì)流和熱輻射兩種傳熱方式。數(shù)值風(fēng)洞入口根據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)定速度入口和環(huán)境溫度，出口設(shè)定壓力出口和環(huán)境溫度；冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬，其慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而來(lái)，同時(shí)冷凝器及散熱器換熱量設(shè)定為固定值；風(fēng)扇采用MRF算法；機(jī)艙內(nèi)熱源表面由試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果設(shè)定為溫度邊界；其他零部件表面設(shè)定為絕熱邊界條件，并設(shè)置材料的輻射參數(shù)。

3 原方案仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

原方案仿真工況與試驗(yàn)工況相對(duì)應(yīng)，分析了爬坡工況，分別對(duì)流場(chǎng)和溫場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，指出需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的位置，并將溫場(chǎng)結(jié)果的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 原方案流場(chǎng)仿真結(jié)果

圖2所示為爬坡工況時(shí)的機(jī)艙截面速度矢量圖，從圖2（a）中可以看出流過(guò)散熱器的熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)扇作用后從空濾側(cè)面大量吹過(guò)，同時(shí)受熱輻射的影響，容易造成空濾溫度過(guò)高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。從圖2（b）中可以看出風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)本體距離過(guò)近，造成進(jìn)氣歧管對(duì)氣流阻礙作用較大。

3.2 原方案溫場(chǎng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

原方案機(jī)艙內(nèi)溫場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，空濾大部分都處于高溫區(qū)域，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度過(guò)高，影響動(dòng)力性能。同時(shí)，蓄電池也處于局部高溫區(qū)，加上其自身散熱，容易造成蓄電池溫度過(guò)高。

圖4所示為爬坡工況下測(cè)點(diǎn)溫度試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部主用零部件溫度與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)溫度相比誤差整體控制在10%一下，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理設(shè)計(jì)的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理CFD仿真幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果精度與網(wǎng)格數(shù)量息息相關(guān)，由于計(jì)算資源有限，本次計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量控制在千萬(wàn)以下，若在此基礎(chǔ)上細(xì)化機(jī)艙內(nèi)部重要區(qū)域網(wǎng)格，計(jì)算誤差還會(huì)進(jìn)一步降低。

4 改進(jìn)方案仿真結(jié)果對(duì)比

4.1 改進(jìn)方案

針對(duì)機(jī)艙熱管理仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。經(jīng)過(guò)以上分析已經(jīng)知道，冷卻模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)本體之間距離過(guò)近，因此新方案中將冷卻模塊前移一定距離，如圖5所示，前保險(xiǎn)杠與格柵也相應(yīng)移動(dòng)，為了兼顧外觀需求，同時(shí)修改了格柵外形，新格柵進(jìn)氣面積有所減少。原方案中冷卻模塊處于偏置狀態(tài)，改進(jìn)方案中將采取冷卻模塊中置與偏置兩種情況，如圖6所示，在兩種中選出最優(yōu)方案繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。另外，空濾、蓄電池、ECU位置等也有所調(diào)整。

4.2 改進(jìn)方案結(jié)果對(duì)比

4.2.1 冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量對(duì)比

由于新方案與原方案相比，格柵進(jìn)氣面積有所減少，因此機(jī)艙內(nèi)進(jìn)氣量會(huì)相應(yīng)降低，必將對(duì)機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)的分布帶來(lái)較大的影響。改進(jìn)方案與原方案進(jìn)氣量對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表中可看出，兩種新方案冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量相差不大，但都低于原方案。

表1 冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量對(duì)比

經(jīng)過(guò)分析可知，由于格柵進(jìn)氣面積的降低，對(duì)進(jìn)氣量帶來(lái)一定的影響。另一方面，新方案中冷卻模塊導(dǎo)流板張開(kāi)角度偏小，不能完全覆蓋格柵進(jìn)氣，從而未能起到有效導(dǎo)流作用。

4.2.2 流場(chǎng)對(duì)比

新方案中冷卻模塊中置速度矢量圖如圖7所示，冷卻模塊偏置速度矢量圖如圖8所示。從圖中可以看出，兩種方案和原方案相比，由于冷卻模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的距離有所增大，進(jìn)氣歧管對(duì)氣流的阻礙作用有所減小，其中偏置方案效果更加明顯；另外，經(jīng)過(guò)散熱器后的高溫氣流對(duì)空濾的影響也大大減少，避免了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的影響，提高動(dòng)力性能。但兩新方案與原方案相比，圖中所示位置氣流發(fā)生了泄漏，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣量的減少，說(shuō)明冷卻模塊的導(dǎo)流板還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2.3 溫度對(duì)比

兩新方案機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9、10所示，與原方案溫度場(chǎng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于兩新方案機(jī)艙進(jìn)氣量有所降低，導(dǎo)致新方案機(jī)艙內(nèi)部溫度整體偏高。

兩新方案仿真各部件最大溫度結(jié)果對(duì)比如圖11所示。從圖中可以看出，兩個(gè)新方案ECU、電機(jī)、選換擋軟軸仿真溫度結(jié)果相差不大；冷卻模塊中置方案中，轉(zhuǎn)向機(jī)最大溫度比偏置方案中低，而蓄電池最大溫度比偏置方案中高。

5 優(yōu)化分析

通過(guò)以上改進(jìn)方案對(duì)比分析可知，冷卻模塊偏置方案進(jìn)氣量與中置方案相差不大，但偏置方案中僅有一側(cè)導(dǎo)流板，優(yōu)化空間更大；另外，從發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流線圖中可以看出，偏置方案中發(fā)動(dòng)機(jī)周圍氣流分布更加合理，因此進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)方案選擇冷卻模塊中置方案進(jìn)行。

5.1 模型優(yōu)化

由第二輪冷卻模塊偏置方案分析結(jié)果顯示，在格柵與導(dǎo)流板改動(dòng)的影響下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣量降低，由于外觀限制，格柵無(wú)法再做變動(dòng)，因此將優(yōu)化導(dǎo)流板以提高機(jī)艙進(jìn)氣量，如圖12所示。另外，在第二輪冷卻模塊偏置方案分析中，蓄電池與轉(zhuǎn)向機(jī)溫度明顯偏高，需要降低其溫度以滿足許用溫度的要求，因此在上一輪蓄電池與轉(zhuǎn)向機(jī)溫度過(guò)高處添加隔熱罩，如圖13、圖14所示。

5.2 冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量對(duì)比

第三輪優(yōu)化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案機(jī)艙進(jìn)氣量結(jié)果對(duì)比如表2所示，從表中可以看出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板的優(yōu)化改進(jìn)，第三輪進(jìn)氣量比第二輪中偏置方案有所提高。

表2 冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣量對(duì)比kg/s

5.3 溫度對(duì)比

第三輪優(yōu)化后機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖15所示，與原方案和第二輪方案對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，機(jī)艙進(jìn)氣量的提高顯著降低了機(jī)艙內(nèi)部的整體溫度，尤其是機(jī)艙左側(cè)空濾和蓄電池所處區(qū)域溫度得到了明顯的改善。

第三輪優(yōu)化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案中機(jī)艙內(nèi)零部件最大溫度對(duì)比結(jié)果如圖16所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)后，在隔熱罩的導(dǎo)流與隔熱作用下，轉(zhuǎn)向機(jī)與蓄電池溫度明顯降低，效果顯著。另外，ECU與軟軸溫度略有降低，電機(jī)溫度變化不大。由此可見(jiàn)，在機(jī)艙熱管理分析中，采用CFD仿真方法進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)能夠起到顯著的作用。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上分析對(duì)比研究可以看出：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析考慮熱對(duì)流與熱輻射影響時(shí)，原方案仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)，能夠滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理工程設(shè)計(jì)的需要；

（2）格柵進(jìn)氣面積與冷卻模塊導(dǎo)流板對(duì)機(jī)艙進(jìn)氣量影響明顯；

（3）冷卻模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)本體之間的距離對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍氣流分布影響明顯；

（4）采用CFD仿真分析方法，能夠有效優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣流分布，改進(jìn)機(jī)艙內(nèi)溫場(chǎng)分布，防止零部件溫度過(guò)高。

[1]陶文栓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[2]陶文栓.傳熱學(xué)[M].西安:西安工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3]王若平,汽車空調(diào)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.6.

[4] John D.Anderson.Computational Fluid Dynamics (吳頌平譯).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.6.

[5] Edinilson Alves Costa.CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks[J], 2003-01-3557.

專家推薦

史建鵬：

本文采用CFD仿真分析方法對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)和溫場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，誤差控制在10%以內(nèi)；并用此方法計(jì)算不同優(yōu)化方案的效果，找出敏感的影響因素。該文對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理問(wèn)題進(jìn)行了仔細(xì)研究，具有很好的參考價(jià)值，建議收錄。

Simulation Analysis and Optimization of a Vehicle Thermal Management

XIAONeng,W ANG X iao-bi,S HI J ian-peng
(Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China)

This paper analyses the flow field and temperature field in a vehicle underhood based on CFD method, condersing the effect of convection and radiation, then compares the results with the experiment and the error is less than 10% which is suitable for the engineering design requirements of underhood thermal management; based on this, two improved schemes of the mid and bias cooling module are put forward, then contrasted and chosen the better bias scheme for the next simulation analysis; after optimization based on the bias scheme in the second round, the flow field in the underhood is improved and the component temperature meets the design requirements.

thermalmanagement;CFD;underhood;optimization

U462

A

1005-2550（2014）05-0056-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.012

2014-09-01