摘 要： 為了系統(tǒng)地研究客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣的流動(dòng)與傳熱，采用汽車外流場與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場耦合計(jì)算的方法，分析客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)風(fēng)速流動(dòng)組織，并對比改進(jìn)前后氣體流線和高溫區(qū)域分布。結(jié)果表明，增加擋板的設(shè)計(jì)使機(jī)艙內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的區(qū)域變小，有效地隔阻發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量傳到散熱器，改進(jìn)后的機(jī)艙布置滿足整車使用要求，為客車開發(fā)中的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究與改進(jìn)提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)艙； 仿真分析； 溫度分布； 渦流分析

中圖分類號： TN305.94?34； U464.138 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0124?03

Investigation and improvement on postposition engine compartment thermal management of bus

YE Zibo1， XIAO Guoquan2， LIAO Jun3

（1. Guangdong Polyphonic Normal University， Guangzhou 510635， China； 2. South China University of Technology， Guangzhou 510641， China；

3. Shenzhen Bus Group Incorporated Company， Shenzhen 518036， China）

Abstract： In order to carry out a detailed research into airflow and heat transfer in engine compartment of bus， a mathematical approach coupling outflow field of the bus and inner flow field in the engine compartment is used to analyse the air flow organization in the engine compartment， and compare the air flow line and high?temperature area distribution before and after the improvement. Results show that the design of adding a baffle can decrease the circular flow area in engine compartment of bus and isolate the heat transfer from the engine to its radiator effectively. The improved layout of the engine compartment can meet the requirements of the bus and provide a reference for thermal management and improvement of the engine compartment of the bus.

Keywords： engine compartment； simulation analysis； temperature distribution； turbulence analysis

0 引 言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙類似一個(gè)半封閉的空間，艙內(nèi)包括了發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、空調(diào)以及液壓設(shè)備等部件，各部件在熱環(huán)境內(nèi)相互影響[1]，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣的流動(dòng)和傳熱過程非常復(fù)雜，艙內(nèi)氣流的分離和旋渦的紊流也會(huì)影響汽車的氣動(dòng)阻力。Vivek Kumar用CFD結(jié)合流體網(wǎng)絡(luò)模型的方法[2]，把整個(gè)區(qū)域劃分成不同的氣流通道，求解一維質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程得到風(fēng)量與壓力的分布；該方法可縮短CFD技術(shù)求解時(shí)的迭代時(shí)間。Robert D等采用高效的電子水泵和電子風(fēng)扇設(shè)計(jì)了多風(fēng)扇布置型式的冷卻系統(tǒng)，高速公路車載試驗(yàn)的燃油量[3]減少了5.3%～8.6%。國內(nèi)研究人員從智能化的發(fā)展方向提出風(fēng)扇和水泵功率分配的控制策略，采用主動(dòng)抗擾控制算法節(jié)約總能耗[4]。同時(shí)，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置，以減少流動(dòng)損失為目的重新設(shè)計(jì)前格柵和熱交換器；為了避免逆向流動(dòng)優(yōu)化各部件之間的空間距離[5?6]。

在汽車設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱效果往往只評價(jià)散熱器的綜合性能或散熱器與風(fēng)扇的匹配，現(xiàn)有的檢測設(shè)備很難全方位地測量發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程；仿真計(jì)算已成為發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，它不受風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中邊界效應(yīng)或邊界干擾、支架干擾、相似條件不能滿足等的限制。因此，本文針對一款大客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙，建立已安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、散熱器、冷凝器、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件的整車模型，設(shè)定參數(shù)及模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流體軌跡和流動(dòng)特點(diǎn)，并對比發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)布置在改進(jìn)前后的冷卻效果。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的仿真計(jì)算

艙內(nèi)的空氣流動(dòng)情況和溫度分布對整車熱管理至關(guān)重要。若艙內(nèi)存在旋渦或空氣流動(dòng)死區(qū)，就會(huì)造成熱量的堆積。這些熱量堆積如果發(fā)生在耐高溫程度較差的部件附件（例如塑膠電線），就可能造成部件的損壞，嚴(yán)重還會(huì)發(fā)生自燃。

1.1 幾何模型

在客車車身的模型內(nèi)建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙的幾何模型，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型包括車身的進(jìn)氣格柵[7]、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器、消聲器、空調(diào)、散熱器、車輪等，如圖1、圖2所示。對流動(dòng)影響不大的油管、水管和電纜等做適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>

1.2 邊界條件、單元區(qū)域條件和物理模型

邊界條件是一個(gè)物理方程在區(qū)域邊界上的值。本模型包含三種流動(dòng)邊界條件（速度進(jìn)口、壓力出口、壁面）、兩種換熱邊界條件（熱通量、溫度）、多孔介質(zhì)邊界條件、風(fēng)扇邊界條件，其中假設(shè)風(fēng)扇模型無限薄、空氣通過風(fēng)扇的壓升是氣流速度的函數(shù)，表達(dá)式為[Δp=2 300-86v+8v2-0.2v3]；設(shè)置散熱器和中冷器的進(jìn)風(fēng)面為多孔介質(zhì)邊界，參數(shù)如表1所示；設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、增壓器、三元催化器、電池等零件的表面溫度邊界條件，如表2所示。在單元區(qū)域條件的選項(xiàng)中把水箱散熱器和中冷器設(shè)置成恒功率源區(qū)域，其值分別為650 kW/m3和150 kW/m3。

在FLUENT中選擇基于壓力（Pressure?Based）的求解器，其應(yīng)用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流體到高速壓縮流體，求解過程靈活。在壓力?速度耦合的求解方法中選擇半隱式連接壓力方程算法（SIMPLE），這種算法能更快地得到收斂值。兩方程[k-ε]模型被廣泛應(yīng)用于汽車?yán)@流問題中，其中Realizable [k-ε]能準(zhǔn)確模擬壁面形狀變化劇烈的汽車表面的流動(dòng)分離和流場中的湍流。湍流模型包括三種壁面函數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、非平衡壁面函數(shù)和增強(qiáng)壁面函數(shù)，考慮到客車車身及其發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在的回流和沖擊等復(fù)雜氣體運(yùn)動(dòng)，采用適用于壓力梯度變化迅速的非平衡壁面函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間流線分析

空氣從地面與車身間的空隙繞過車輪上表面進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)，從機(jī)艙右側(cè)流出，如圖3（a）所示，由于冷卻風(fēng)扇的抽吸作用，發(fā)動(dòng)機(jī)表面的空氣經(jīng)過中冷器和散熱器，從機(jī)艙底部、車身右格柵和后格柵流出，其中從后格柵左側(cè)分流的氣體垂直于地面上升，到達(dá)一定高度后成水平狀；從后格柵右側(cè)分流的氣體成螺旋狀渦流。部分氣體分流從沿機(jī)艙頂部至排氣管側(cè)形成循環(huán)流動(dòng)，見圖3（b） ，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)表面的散熱；而且油底殼的氣體被引至進(jìn)氣管側(cè)，然后到達(dá)水箱散熱器，這會(huì)增加進(jìn)氣溫度和散熱器負(fù)荷。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱分析

圖4是垂直于z軸、溫度高于70 ℃的空氣溫度分布云圖，截面高度在接近于從增壓器至中冷器管道的下方，在此截面高溫區(qū)域不在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管一側(cè)，而在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋至左格車身和散熱器至車身尾部的部分區(qū)域。結(jié)合圖5所示的空氣速度分布來看，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管側(cè)的熱量被旋轉(zhuǎn)的氣流帶至左側(cè)車身，同時(shí)設(shè)置成恒溫的管路也加熱氣流。氣流在風(fēng)扇出口處加速，然后在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左側(cè)格柵與中冷器前端的區(qū)域存在小范圍的渦流，而且在風(fēng)扇出口處的上方由于壓力升高造成氣體回流。

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從原車型的流場仿真計(jì)算可知，客車發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器的并排布置使得機(jī)艙氣流形成大渦流，甚至靠近右側(cè)車身的電機(jī)熱量也被氣流帶至車身左側(cè)，為了增加水箱散熱器的冷卻效果，在水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)之間增加一塊金屬擋板，經(jīng)FLUENT迭代計(jì)算后的氣體流線如圖6所示。

從圖6（a）可看出，由于金屬擋板的存在，空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)未形成大面積的渦流，經(jīng)過缸蓋和增壓器泵輪的流體會(huì)形成小區(qū)域的渦流，隨后沿右側(cè)車身高速流出；如圖6（b）所示，部分氣流從車底流向左側(cè)車身格柵，再通過水箱散熱器和車身尾部向下流出，從后艙門格柵流出的空氣不多，未充分發(fā)揮后艙門格柵散熱的作用；但與無擋板的機(jī)艙設(shè)計(jì)相比，大部分氣流沒有在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零件的散熱。

圖7是y和z截面上的氣體流速矢量圖，空氣從左側(cè)艙門格柵高速流入，在擋板壁面附近氣流加速，致使艙內(nèi)上部空間和下部空間都形成明顯的渦流；氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)時(shí)速度降低，主要向車底流動(dòng)。由于風(fēng)扇的泵吸作用，在垂直于z軸平面空氣從左側(cè)格柵高速流向后艙門方向，在靠近電池處有渦流，新鮮冷卻空氣的進(jìn)入有助于電池的散熱；由于風(fēng)扇罩與左側(cè)車身之間有縫隙，氣流在該縫隙處有回流。圖8是與圖4同一高度位置的溫度高于70 ℃的空氣溫度分度云圖，高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到缸蓋附近，散熱器附近的高溫區(qū)域大幅度消失，這是由于高溫區(qū)域的分布與氣體流動(dòng)軌跡有關(guān)，同時(shí)增加擋板后機(jī)艙內(nèi)的高溫氣流從車底流出或進(jìn)入車身左側(cè)格柵和散熱器，而不是從高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)上方進(jìn)入散熱器。

3 結(jié) 論

在風(fēng)扇的抽吸作用下大部分氣體在原型車的機(jī)艙內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，散熱風(fēng)扇出口處的上方有回流；高溫氣體分布在增壓器至中冷器和散熱風(fēng)扇附近，不利于降低進(jìn)氣溫度和散熱器負(fù)荷；發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器之間的擋板改變機(jī)艙內(nèi)的氣流組織，機(jī)艙內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的區(qū)域變小，同時(shí)進(jìn)入車身左側(cè)格柵形成的渦流有助于電池散熱；機(jī)艙內(nèi)高溫區(qū)域主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上方，流經(jīng)機(jī)艙高溫元件的氣體大部分從車底流出，增加擋板的設(shè)計(jì)能有效隔阻發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量傳到散熱器，提高散熱器的冷卻效果。

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