王磊，晏強(qiáng)，文雪峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)

基于一維-三維聯(lián)合仿真的冷卻系統(tǒng)匹配研究

王磊，晏強(qiáng)，文雪峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)

由于一維軟件不能兼顧冷卻介質(zhì)流動的均勻性等問題，往往給匹配帶來較大的誤差。本文采用一維-三維聯(lián)合仿真的方法對冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行了詳細(xì)分析，并進(jìn)行兩工況的整車轉(zhuǎn)鼓熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。分析結(jié)果表明仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。采用此方法可以縮短了開發(fā)的時間，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計的成功率，特別適用于新車型的開發(fā)。

冷卻系統(tǒng)；一維-三維聯(lián)合仿真；熱平衡試驗(yàn)

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-31-04

1、簡介

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計匹配由于試驗(yàn)條件限制及設(shè)計周期影響往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及相似計算等設(shè)計物理樣機(jī)。通過多次改進(jìn)、制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)對比，是一種定性的匹配方法。這種方法開發(fā)周期比較漫長，試驗(yàn)費(fèi)用也較為昂貴。

目前，隨著技術(shù)的發(fā)展。冷卻系統(tǒng)匹配可通過一維軟件如預(yù)先計算分析。通過修改冷卻系統(tǒng)元件的相關(guān)參數(shù)，軟件基于流體傳熱學(xué)理論可實(shí)現(xiàn)對其性能的估算。但是，一維軟件不能兼顧冷卻介質(zhì)流動的均勻性問題及與之帶來的外流場的阻力問題，往往給匹配帶來較大的誤差，使之不能更好地應(yīng)用。三維計算流體軟件可以細(xì)致的考慮到冷卻介質(zhì)的均勻性問題。因此，結(jié)合了一維和三維的計算工具，通過三維軟件對發(fā)動機(jī)機(jī)艙流場進(jìn)行分析。將均勻性的數(shù)據(jù)并入一維軟件中進(jìn)行聯(lián)合計算。便可以提高匹配的準(zhǔn)確性。本文通過對某款車型冷卻系統(tǒng)的設(shè)計匹配并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，說明了結(jié)合一維和三維軟件進(jìn)行冷卻系統(tǒng)匹配的優(yōu)越性。

2、仿真數(shù)據(jù)采集

2. 1 整車相關(guān)數(shù)據(jù)

2.1.1 運(yùn)行工況參數(shù)（見表1）

表1 整車各工況運(yùn)行參數(shù)

2.1.2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙空氣動力學(xué)特性

發(fā)動機(jī)機(jī)艙空氣動力學(xué)特性不僅與整車空氣阻力相關(guān)，而且直接影響冷卻系統(tǒng)的性能。例如增大進(jìn)氣格柵面積會提高進(jìn)氣量，提升冷卻系統(tǒng)性能；其次較為順暢的機(jī)艙流道，其阻力一般較小，也可以提高氣流量，提升冷卻性能。一般情況下，機(jī)艙空氣動力學(xué)特性可通過汽車風(fēng)洞試驗(yàn)測得；但在新車型開發(fā)前期不具備實(shí)體模型的情況下也可通過三維CFD流場分析獲得。

通過三維軟件對發(fā)動機(jī)機(jī)艙的流場分析，得出了在整車兩工況下的機(jī)艙進(jìn)口壓力損失系數(shù)、機(jī)艙流道阻力特性、換熱器的速度分布等（見表2發(fā)動機(jī)機(jī)艙CFD分析結(jié)果及圖3發(fā)動機(jī)機(jī)艙壓阻曲線），并將其作為一維軟件的輸入。這樣可使計算結(jié)果更符合實(shí)際效果。

表2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙CFD分析結(jié)果

2.1.3 冷卻系統(tǒng)部件布置及參數(shù)

冷卻系統(tǒng)散熱器為縱流式結(jié)構(gòu)；中冷器為橫流式結(jié)構(gòu)；風(fēng)扇采用環(huán)形9葉塑料風(fēng)扇，曲軸直連；各部件參數(shù)見表3。

表3 冷卻系統(tǒng)部件參數(shù)

發(fā)動機(jī)為4缸增壓中冷式柴油發(fā)動機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

2.2 發(fā)動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T1147.2 中小內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)方法在柴油機(jī)試驗(yàn)臺架對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)測得扭矩點(diǎn)和功率點(diǎn)中冷系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)的散熱量、進(jìn)口壓力、流量數(shù)據(jù)（如表5及表6所列）并將其輸入KULI軟件中的CF元件及CA元件。發(fā)動機(jī)對冷卻系統(tǒng)匹配也提出了相關(guān)的評價見表5及表6相關(guān)項(xiàng)。

表5 中冷系統(tǒng)參數(shù)及指標(biāo)

表6 水冷系統(tǒng)參數(shù)及指標(biāo)

2.3 零部件相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)QC/T 907-2013汽車散熱器散熱性能試驗(yàn)方法對本冷卻系統(tǒng)散熱器進(jìn)行單體性能試驗(yàn)并將試驗(yàn)結(jié)果輸入一維軟件中的Radiator元件，得到其性能如圖4所示。

根據(jù)QC/T 828-2010 汽車空-空中冷器技術(shù)條件對本冷卻系統(tǒng)中冷器進(jìn)行單體性能試驗(yàn)并將試驗(yàn)結(jié)果輸入一維軟件中的CAC元件，得到其性能如圖5所示。

根據(jù)JB/T 6723.2-2008塑料冷卻風(fēng)扇技術(shù)條件對本冷卻系統(tǒng)中冷器進(jìn)行單體性能試驗(yàn)并將試驗(yàn)結(jié)果輸入一維軟件中的M Fan元件，得出其性能如圖6所示。

3、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)車型冷卻系統(tǒng)的空間布置尺寸在一維軟件里建立分析模型（見圖7）。將發(fā)動機(jī)機(jī)艙CFD分析結(jié)論中的機(jī)艙進(jìn)口壓力損失系數(shù)及機(jī)艙流道阻力特性結(jié)果并輸入CP value元件和Built-in resistance元件。將CFD分析的換熱器的速度分布矩陣加入Blocks元件模擬氣流均勻性問題。通過Air Resistance元件模擬空調(diào)散熱及壓降特性。

針對整車運(yùn)行的兩工況點(diǎn)進(jìn)行仿真計算，得出了散熱器進(jìn)、出水溫度及內(nèi)部壓降；中冷器的進(jìn)、出氣溫度及內(nèi)部壓降，以及風(fēng)扇的靜壓、消耗功率、靜壓效率等，結(jié)果見表7。

為了驗(yàn)證一維-三維聯(lián)合分析的準(zhǔn)確性及適用性。結(jié)合前期的仿真模擬分析，按照國標(biāo)GB/T12542-2009對試制樣車在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)時在散熱器及中冷器上布置了溫度傳感器、壓力傳感器共計24個測點(diǎn)，使用多通道采集儀實(shí)時采集。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 仿真模擬值與試驗(yàn)值對比

4、對比評價

通過對比仿真分析的結(jié)果和整車熱平衡試驗(yàn)的結(jié)果（見圖8及圖9）可發(fā)現(xiàn)在布點(diǎn)數(shù)據(jù)及相關(guān)指標(biāo)值基本吻合，其中除環(huán)境溫度為不可控因素外，散熱器的進(jìn)水溫度與出水溫度的仿真值在功率點(diǎn)扭矩點(diǎn)均高于試驗(yàn)值1.6%和1.7%；中冷器進(jìn)氣溫度與中冷器出氣溫度的仿真值在功率點(diǎn)扭矩點(diǎn)均低于試驗(yàn)值3.2%和6.7%；散熱器內(nèi)部阻力的仿真值在功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)均低于試驗(yàn)值2.1%和1.9%；進(jìn)氣溫升的仿真值在功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)均低于試驗(yàn)值3.2℃和2.3℃。并且各項(xiàng)性能指標(biāo)如冷卻常數(shù)、中冷散熱效率均滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配要求。

仿真和試驗(yàn)的對比說明了運(yùn)用一維三維聯(lián)合分析的方法對冷卻系統(tǒng)的兩工況的預(yù)測精確度接近試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以滿足工程設(shè)計的要求。

5、結(jié)論

通過一維-三維聯(lián)合分析方法快速對冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行計算，兼顧了具體車型冷卻介質(zhì)流動的均勻性問題，可使結(jié)果更加精確?？s短了開發(fā)的時間，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計的成功率，特別適用于新車型的開發(fā)。

由于試驗(yàn)條件限制，本文只進(jìn)行了兩工況點(diǎn)的驗(yàn)證，并且冷卻能力有所富裕。后期可通過精確的系統(tǒng)模型，對發(fā)動機(jī)的外特性全工況點(diǎn)進(jìn)行匹配分析驗(yàn)證并對系統(tǒng)零部件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

[1]梁小波，袁俠義、谷正氣 等.運(yùn)用一維／三維聯(lián)合仿真的汽車熱管理分析.汽車工程，2010,32[9].

[2]袁俠義，谷正氣，等．汽車發(fā)動機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析[J]．汽車工程，2009，3l(9)．

[3]齊斌，倪計民，顧寧，仲韻．發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)和仿真研究．車用發(fā)動機(jī)，2008，（4）．

The Study on Cooling System Matching by Appling joint 1D/3D Simulation

Wang Lei, Yan Qiang, Wen Xuefeng
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

As one-dimensional software cannot take account of the uniform issue of cooling medium flow, which bring biggish error for matching. This paper uses the method of 1D-3D joint simulation to match the cooling system and take vehicle drum heat balance test verification about two conditions of the engine. The analysis results show that the simulation results and the experimental results are consistent. Using this method can shorten the development time, reduce development costs, improve the design success rate, especially suitable for the development of new models.

cooling system; joint 1D/3D simulation; thermal balance test

U464

A

1671-7988(2015)04-31-04

王磊，就職于陜西重型汽車有限公司。