王琪，于明進，黃萬友，孫鵬

(山東交通學院汽車工程學院，山東濟南　250357)

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基于FLUENT的汽車出風口和進氣格柵對發(fā)動機艙溫度場分布的影響

王琪，于明進*，黃萬友，孫鵬

(山東交通學院汽車工程學院，山東濟南250357)

摘要：為了降低發(fā)動機艙內的溫度，根據(jù)發(fā)動機艙內溫度場的分布，提出通過改善出風口和進氣格柵處的結構來降低發(fā)動機艙內的溫度。運用PROE軟件建立具有導流結構的發(fā)動機艙出風口和下進氣格柵模型，利用GAMBIT生成計算區(qū)域網(wǎng)格、設置邊界條件，利用FLUENT軟件對各模型進行仿真計算。仿真結果表明：發(fā)動機艙出風口處的導流結構可有效降低機艙內的溫度；優(yōu)化下進氣格柵導流板安裝角度，可使冷卻氣流得到最有效的利用，其中通過散熱器的冷卻氣流流量較改進前增加了8%。

關鍵詞：發(fā)動機艙；溫度場；進氣格柵；出風口；

汽車發(fā)動機功率不斷提高，工作溫度亦不斷升高，同時由于車輛形狀和空氣動力學的需要，汽車車身更趨向流線型，車身逐漸降低，汽車的發(fā)動機艙變扁，發(fā)動機艙內的空間尺寸越來越小，使機艙進氣口變小，冷卻效果變差，加之我國絕大部分地區(qū)夏季非常炎熱，7、8月份氣溫超過35 ℃[1]1。如果發(fā)動機艙內的氣流組織結構設計不合理，很容易導致發(fā)動機艙內過熱，引起發(fā)動機燃燒爆震、冷卻系“開鍋”等問題，加速機艙內零部件老化、失效，甚至引發(fā)汽車自燃事故，嚴重影響汽車的行駛安全[2]48。

在汽車設計階段，合理的機艙內布置和主要部件的機構設計，能使機艙內的氣流流場，保證冷卻氣流充分帶走發(fā)動機及其它高溫熱源的熱量，避免在發(fā)動機艙內形成渦流區(qū)和局部高溫區(qū)，對保證發(fā)動機艙內各部件正常工作具有重要的現(xiàn)實意義。國外這方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果[3-6]；我國也進行了相關的研究，文獻[7]對額定功率下散熱器冷卻空氣需求量進行研究，文獻[8]對汽車發(fā)動機艙熱管理研究與改進，對進氣格柵導流板進行相關研究。本文通過對汽車發(fā)動機在最大功率點運行時，發(fā)動機艙內溫度分布情況的仿真研究，分析優(yōu)化發(fā)動機艙出風口處的結構和在進氣格柵處增設導流裝置對機艙溫度場分布的影響。

1發(fā)動機艙內溫度場分析

1.1物理模型

根據(jù)機艙的結構定義特征參數(shù)，建立發(fā)動機艙模型、汽車模型、發(fā)動機模型、風扇模型和水箱模型。模型的建立基于以下假設：

1)忽略發(fā)動機艙散熱過程中的輻射換熱；

2)空氣動力學中限定馬赫數(shù)Ma<0.3[9]時，氣流按不可壓縮處理。由于轎車的車速不高，馬赫數(shù)遠小于0.15，所以機艙內的空氣流動可以按不可壓縮流處理；

3)進氣格柵后面一般加有二級格柵網(wǎng)，可在視覺上隱藏散熱器組、發(fā)動機等部件，為減少劃分網(wǎng)格的難度，忽視二級格柵網(wǎng)的影響。

以某型汽油機汽車作為研究對象，汽車尺寸及技術參數(shù)：4沖程、4缸直列發(fā)動機，發(fā)動機外形尺寸為615 mm×580 mm×695 mm，車身寬度為1 682 mm，車身高度為1 424 mm，前輪距為1 425 mm，最小離地間隙為150 mm，輪胎規(guī)格為185/60 R14。

圖1　汽車模型

利用繪圖軟件PROE繪制汽車以及發(fā)動機的三維模型，汽車模型如圖1所示。

進入發(fā)動機艙的冷卻氣流直接取決于汽車周圍的流場，所以分析汽車發(fā)動機艙內流場時，需要耦合汽車的外流場。從理論上講，計算區(qū)域的外邊界應在汽車外圍的無窮遠處，但在實際計算中，將其設在有限的范圍內。為了減小阻塞效應，模擬風洞的尺寸選擇為：車頭前部空間長度取車長的7倍，車尾后部空間長度取車長的8倍，車頂上部空間高度、車側部空間長度分別取車高、車寬的5倍[10-11]。由于計算區(qū)域非常大，劃分網(wǎng)格數(shù)量巨大，計算量很大，為減少計算資源的占用并保證計算結果的準確性[12-16]，將風洞劃分成3部分，然后進行網(wǎng)格劃分，最后劃分的網(wǎng)格數(shù)量為6 913 685，劃分完成的網(wǎng)格如圖2、3所示。

圖2　計算區(qū)域網(wǎng)格示意圖　　　　　　　　　　　　　　　圖3　風洞橫向切面網(wǎng)格劃分示意圖

1.2計算模型

由于發(fā)動機艙結構的復雜性，空氣流動過程中存在大量邊界層分離、渦流等現(xiàn)象，流動處于紊流狀態(tài)，本文采用RNG K-Epsilon方程模型求解，此模型能解決一般的流動問題[2]49-50。RNG K-Epsilon模型方程[17-19]為：

(1)

(2)

1.3邊界條件設定

1)入口邊界條件。計算域的入口邊界設定為速度入口，設定汽車以60 km/h的速度勻速行駛，冷卻氣流溫度為環(huán)境溫度45 ℃。

2)出口邊界條件。計算域的出口邊界設定為壓力出口，該邊界條件可以處理出口有回流的問題，比outflow邊界條件更容易收斂，給定出口的壓力值為101.32 kPa。

3)散熱器的邊界條件。需對3個重要參數(shù)進行設定：表面滲透性(face permeability)、多孔介質厚度(porous medium thickness)和壓力跳躍系數(shù)(pressure jump coefficient)。

4)風扇邊界條件。發(fā)動機風扇可以使用FLUENT軟件中的風扇邊界條件進行模擬。

5)壁面邊界條件。由于發(fā)動機艙內的冷卻空氣和艙內部件主要通過對流換熱進行熱交換，因此將發(fā)動機艙內發(fā)熱部件設置為溫度壁面邊界。環(huán)境溫度為45 ℃時，汽車在發(fā)動機最大功率點運行0.5 h后，測量發(fā)動機艙內發(fā)熱部位壁面即排氣管、散熱器、缸體及缸蓋的溫度[1]31-32分別為531、80、120、93 ℃。

1.4溫度場分析

假設汽車以60 km/h的速度在45 ℃的環(huán)境溫度下勻速行駛，通過fluent軟件計算得到的發(fā)動機產(chǎn)生的熱量在風洞中的分布情況如圖4所示(圖中單位為℃)。冷卻氣流在風洞中從上、下進氣格柵進入發(fā)動機艙，被散熱器加熱后到達發(fā)動機，再從發(fā)動機艙底部流經(jīng)汽車底盤，最后匯入汽車的尾流，形成左右各一個漩渦，如圖5所示。

圖4　熱量在風洞中的分布　　　　　　　　　　　　　　　圖5　汽車后方速度矢量圖

圖6、7分別為發(fā)動機艙縱對稱面溫度分布和氣流流動情況(圖6中單位為℃)。從圖6、7可見，發(fā)動機和散熱器是發(fā)動機艙內的主要熱源，其四周溫度較高。冷卻氣流從進氣格柵進入發(fā)動機艙，在進氣格柵周圍形成很強的渦流，降低了發(fā)動機艙的進氣效率；從下進氣格柵進入機艙的冷卻氣流直接從機艙底部流出，沒有被充分利用。冷卻氣流經(jīng)過散熱器后，由于散熱器被簡化成多孔介質的結構，內部存在粘性阻力和慣性阻力，使散熱器具有不完全通風性，冷卻氣流在此受到阻擋，此處的氣流流動較為混亂，流速低，導致熱量滯留，溫度升高，最高溫度為106 ℃。冷卻氣流經(jīng)過風扇后，溫度降為77 ℃左右，之后氣流到達發(fā)動機機體，沖刷發(fā)動機前側，氣流受到阻擋，氣流流速較低，在發(fā)動機后側和后下側形成氣流滯留區(qū)，高溫氣流來不及排出發(fā)動機艙，溫度較高，平均溫度為90 ℃左右。

圖6　發(fā)動機艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　　　　　　　　　　圖7　發(fā)動機艙縱對稱面溫度矢量圖

2發(fā)動機艙內溫度場優(yōu)化

汽車發(fā)動機艙內溫度場優(yōu)化的重點是調整機艙內冷卻氣流溫度的分布[20]。從仿真結果可以看出，汽車發(fā)動機艙內存在局部高溫，散熱器周圍和出風口處溫度較高，提出兩種解決方案：1)優(yōu)化機艙排風口處的結構，使高溫氣體快速排出發(fā)動機艙，減少高溫氣體在機艙內的停留時間；2)改進進氣格柵導流板傾斜角度，以改善機艙內部的流場。

2.1優(yōu)化機艙出風口處的結構

將發(fā)動機艙出風口處腹板上方向發(fā)動機傾斜(向車輛前進方向傾斜)10°，結構如圖8所示。

汽車以60 km/h的速度在環(huán)境溫度為45 ℃的條件下勻速行駛，發(fā)動機產(chǎn)生的熱量在風洞中的分布如圖9所示(圖中單位為℃)。對比圖4可見，發(fā)動機艙內溫度明顯降低，從機艙排出的熱量明顯增多，發(fā)動機艙出風口處和汽車底盤處因熱量的大量排出而使溫度升高，平均溫度接近70 ℃。

圖8　發(fā)動機艙出風口處腹板上方向發(fā)動機傾斜　　　　　圖9　優(yōu)化機艙出風口后熱量在風洞中的分布情況

圖10為優(yōu)化出風口后發(fā)動機艙內溫度的分布情況(圖中單位為℃)，與圖6對比可見，發(fā)動機前方區(qū)域的溫度顯著下降，發(fā)動機后方以及底盤高溫區(qū)域增大。圖11為優(yōu)化出風口結構后發(fā)動機艙內氣流的流動情況，對比圖7可見，發(fā)動機艙進氣格柵處的渦流明顯減少，機艙進氣效率增加。

圖10　優(yōu)化后發(fā)動機艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　　圖11　優(yōu)化后發(fā)動機艙縱對稱面空氣溫度矢量圖

因此，將發(fā)動機艙出風口處腹板上方向發(fā)動機傾斜后，機艙內的熱量可以快速排出機艙，能有效降低機艙內的溫度，由于大量熱空氣集中通過出風口，使出風口處的高溫區(qū)域有所增大。

2.2增設進氣格柵導流板

汽車在行駛過程中，冷卻氣流通過汽車前端的上、下進氣格柵進入發(fā)動機艙，是機艙內流場的起點，進氣格柵結構對冷卻系的性能有很大影響。研究表明[8]68，隨著車速的提高，雷諾數(shù)增加，車頭滯點位置上移(即車頭位置冷卻氣流速度為零的點上移)，下進氣格柵的進氣量增加。故若要增加高速工況下的進氣量，最有效的方法是增大下進氣格柵的面積，但若進氣口面積過大，內流阻力會增大，所以應綜合考慮發(fā)動機艙內的流場。

2.2.1無進氣格柵和導流板

假設汽車無進氣格柵，既可以減少冷卻氣流進入機艙的阻力，又可以增加進氣效率，理論上對汽車發(fā)動機艙的冷卻是有利的,故建立無進氣格柵的汽車模型,計算發(fā)動機艙內的溫度分布。

計算結果如圖12、13所示(圖12中單位為℃)，與圖6、7對比可見，無進氣格柵時從發(fā)動機艙出風口排出的熱量較多，但發(fā)動機艙內溫度很高。這是因為無進氣格柵的阻擋，進入發(fā)動機艙的冷卻氣流增多，但從發(fā)動機艙排出的氣流速度緩慢，散熱器和發(fā)動機后下方出現(xiàn)兩個高溫滯留區(qū)域，溫度高達110 ℃。

由此可見，進氣格柵的設置不僅是因為美觀，還可以增大進風的湍流度，從而增強換熱，達到降低發(fā)動機艙內溫度的目的。

圖12　無進氣格柵時發(fā)動機艙縱對稱面空氣溫度分布云圖　　圖13　無進氣格柵時發(fā)動機縱對稱面空氣溫度矢量圖

2.2.2增設下進氣格柵的導流板

從下進氣格柵進入機艙的冷卻氣流直接從發(fā)動機艙底部流出，沒有被充分利用到需冷卻散熱的部件，因此，在汽車下進氣格柵處安裝導流板，改變進風角度，改善氣流流動方向，使更多的冷卻氣流通過散熱器，帶走更多熱量。導流板順流傾斜，導流板及安裝位置如圖14所示。

a)導流板　　　　　　　　　　　　b)仰視圖　　　　　　　　　　　c)側視圖圖14　導流板及安裝位置

圖15為冷卻氣流流向對比圖，其中圖a)為原車型的氣流流向圖，圖b)為導流板傾斜5.0°時氣流流向圖。從圖a)中可以看到，從下進氣格柵進入機艙的氣流運行方向比較混亂，沒有固定統(tǒng)一流向。圖b)中，下進氣格柵的進風角度發(fā)生了變化，進入機艙的冷卻氣流直接吹向水箱，使更多的冷卻風通過水箱，提高了冷卻風的利用率。

在其他條件相同的情況下，原型車及導流板傾斜不同角度時通過散熱器的冷卻氣流最大流量如表1所示。

a)改進前　b)改進后　圖15　冷卻氣流方向對比圖

表1導流板傾斜不同角度時通過

散熱器的冷卻氣流流量kg/s

原車型導流板傾斜角度/(°)2.02.55.07.52.502.532.652.702.54

從表1可以看出：原車型的冷卻氣流通過量為2.50 kg/s，當導流板傾斜角度小于5.0°時，冷卻氣流通過散熱器的流量持續(xù)上升，當導流板傾斜5.0°時，通過散熱器的冷卻氣流達到最大值，比改進前大約增加了8%，當導流板傾斜角度為7.5°時，氣流量開始減小。由此可見，當導流板傾斜角度為5.0°時，冷卻氣流得到了最有效利用，更有利于發(fā)動機艙及零部件的降溫。

車輛維修發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機后方和水箱周圍的橡膠部件易老化，驗證了上述仿真結果的準確性。

3結論

1)改進發(fā)動機艙出風口結構，能有效降低發(fā)動機艙的溫度，機艙平均溫度降低10 ℃左右，但熱量大多集中在發(fā)動機艙后部，即發(fā)動機排氣管附近，所以發(fā)動機后方不宜布置橡膠件等對溫度敏感的零件；

2)進氣格柵有加速冷卻氣流在發(fā)動機艙內運行速度的作用，忽略進氣格柵雖然可以增加進氣量、減少進氣阻力，但沒有達到降低發(fā)動機艙溫度的作用；

3)在下進氣格柵處增加導流板可改善冷卻氣流進氣角度，當導流板傾斜角度為5.0°時，通過散熱器的冷卻氣流比改進前增加了8%，冷卻風得到最有效利用。

以上研究結果可為優(yōu)化發(fā)動機和機艙內零部件布置、設計發(fā)動機艙和進氣格柵結構提供參考。

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(責任編輯：楊秀紅)

Influence of Car Outlet and Inlet Grille on Temperature Field Distribution of Engine Compartment Based on FLUENT

WANGQi,YUMingjin,HUANGWanyou,SUNPeng

(SchoolofAutomotiveEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Abstract:In order to reduce the temperture of the engine compartment, this paper argues that the temperature of the engine compartment is lowered by improving the structure of the outlet and inlet grille according to the temperature field distribution of engine compartment.The model of the outlet and intake grille with the diversion structure is established by using PROE software.The grid computing areas and boundary conditions are generated by using GAMBIT software.A variety of models are calculated through the simulation by using FLUENT software.The results show that the guide structure near the outlet of the engine compartment reduces the temperature of engine compartment effectively and the installation angle of optimized guide plate of the air intake grille makes the cooling air used to the most effective extent, among which the cooling air through the radiator increases 8% compared with the unimproved condition.

Key words:engine compartment; temperature field; inlet grille; outlet

中圖分類號：U464

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0001-06

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.001

作者簡介：王琪(1989—)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要研究方向為載運工具運行安全與節(jié)能環(huán)保,E-mail:447296275@qq.com.*通信作者：于明進(1964—)，男，山東沂南人，教授，碩士生導師，主要研究方向為汽車測試技術,E-mail:yumj@sdjtu.edu.cn.

基金項目：山東交通科技計劃項目(2011-35)

收稿日期：2016-01-12