王寧潔，湯五洋（. 廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州，545000；. 湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙，4003）

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數(shù)值仿真在新能源汽車發(fā)動機(jī)艙熱保護(hù)開發(fā)中應(yīng)用

王寧潔1，湯五洋2
（1. 廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州，545000；
2. 湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙，410013）

汽車發(fā)動機(jī)艙的熱管理不僅影響其工作性能，也影響汽車動力性、安全性、可靠性、排放性及燃油經(jīng)濟(jì)性等。新能源汽車的發(fā)動機(jī)艙散熱設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)CFD分析可以較準(zhǔn)確的模擬對流換熱，但分析熱輻射時(shí)有收斂等困難。本文針對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)氣與部件溫度分布兩方面內(nèi)容進(jìn)行了研究：首先通過外流場分析方法引入多孔介質(zhì)、旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)等方法進(jìn)行高精度的機(jī)艙流場仿真；其次將現(xiàn)有的CFD軟件和熱分析軟件RadTherm結(jié)合起來，建立了一套耦合的熱流耦合方法，在有效提高熱輻射和流動分析效率的同時(shí)，保證計(jì)算精度滿足工程要求，從而為機(jī)艙熱保護(hù)設(shè)計(jì)提供有效地指導(dǎo)。

新能源汽車；機(jī)艙熱管理；冷卻進(jìn)氣；熱保護(hù)；耦合分析

引言

現(xiàn)代汽車機(jī)艙內(nèi)的零部件模塊化程度高，布置緊湊，氣流流動少，這給機(jī)艙散熱帶來很大的困難。機(jī)艙溫度過高將影響汽車發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。新能源汽車和傳統(tǒng)燃油車的機(jī)艙有很大區(qū)別，集成電路，電路控制模塊較多，機(jī)艙設(shè)計(jì)布置不合理將會導(dǎo)致各類工作部件和控制部件過熱［1］。確保這些零部件在安全溫度下工作，對汽車的安全性和可靠性非常重要，必要時(shí)應(yīng)對這些零部件采取相應(yīng)的隔熱保護(hù)措施。

汽車機(jī)艙內(nèi)空氣流動與熱量傳遞情況非常復(fù)雜，其數(shù)值模擬難度大，國內(nèi)外研究人員對此都做了大量的研究工作［2］。Williams等人統(tǒng)計(jì)了23種方案在4種工況下機(jī)艙進(jìn)氣的CFD分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，結(jié)果表明，CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試吻合的很好；Costa等人介紹了采用三維 CFD軟件 UH3D 對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流動和傳熱進(jìn)行研究的基本方法，通過 CFD 數(shù)值模擬，為試驗(yàn)參數(shù)范圍的確定、傳感器布置以及測點(diǎn)的選擇提供指導(dǎo)。通用汽車的Zhigang Yang等人應(yīng)用熱速度耦合方法，對汽車發(fā)動機(jī)艙散熱進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明該方法能更準(zhǔn)確地對汽車機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測；并對傳統(tǒng)的CRFM冷卻系統(tǒng)和新的CFRM冷卻系統(tǒng)在不同車速工況下的散熱性能進(jìn)行了對比分析。

國內(nèi)熱管理數(shù)值研究起步較晚，借助于國外先進(jìn)計(jì)算結(jié)合自身的分析及實(shí)驗(yàn)條件，目前取得了一定的成果。湖南大學(xué)的袁狹義運(yùn)用機(jī)艙內(nèi)外流場耦合計(jì)算方法［3］，對中期轎車在怠速、最大扭矩點(diǎn)、模擬爬坡、額定功率點(diǎn)、高速五種工況下發(fā)動機(jī)艙的流動特性和溫度場特性進(jìn)行了研究。

1　基礎(chǔ)理論背景

1.1流體力學(xué)理論

流體流動的三大基本定律可以用數(shù)學(xué)方程的形式表示，即：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，其最基本的形式有積分形式和偏微分形式［4，5］。

質(zhì)量守恒定律是流體流動過程中必須遵守的物理定律，質(zhì)量守恒方程微分表達(dá)式：

式中：ρ為流體密度，ui是流體速度矢量在x、y、z方向上的分量。

牛頓第二定律應(yīng)用于流體流動模型所得到的方程稱為動量守恒方程其微分表達(dá)式如下：

轉(zhuǎn)化成應(yīng)力應(yīng)變形式：

式（3）即為動量守恒方程，又稱Navier-Stokes方程；式中：ρ為流體密度，t為時(shí)間，u為微元體速度矢量，ui為速度矢量在xi方向上的速度分量，p為流體在微元體上的壓力，τij為微元體上粘性應(yīng)力τ的分量，Si是微元體在xi方向的動量源項(xiàng)，μ為流體的粘度。

能量守恒方程的本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律在流體流動模型中的應(yīng)用，對于流體熱力學(xué)問題，流體的能量由內(nèi)能和動能兩部分組成，對于比熱為常數(shù)的完全氣體，內(nèi)能e與溫度T之間存在的關(guān)系e=cpT，其中cp是比熱。根據(jù)能量守恒定律，可以推出能量守恒方程的微分表達(dá)式：

式中：T為溫度，k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，也稱為粘性耗散項(xiàng)。

流體流動主要有兩種流動方式：層流和湍流。湍流問題的三維Navier-Stokes方程是復(fù)雜的非線性方程，目前主要有三種數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行求解：直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和Reynolds時(shí)間平均 （RANS）模擬。直接數(shù)值模擬和大渦模擬雖然具有更好的理論根據(jù)，理論上可以得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但是這兩種方法的計(jì)算量很大，在工程實(shí)際中應(yīng)用較少。Reynolds模擬不直接求解瞬時(shí)的Navier-Stokes，而是將包含瞬態(tài)脈動量的方程組時(shí)均化，這樣使得求解計(jì)算大大減少，能夠滿足工程應(yīng)用的要求［2］。

1.2熱對流

當(dāng)物體表面和流過物體表面的流體存在溫度差時(shí)，二者之間產(chǎn)生熱量傳遞現(xiàn)象，這種熱量的傳遞方式稱為熱對流。熱對流通常根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算其熱能的傳遞：

1.3熱輻射

所有具有溫度的物體表面都以電磁波的形式向外發(fā)射能量，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。物理表面不僅能像外發(fā)射能量，當(dāng)熱輻射投射到物體表面時(shí)也能被物體表面部分或全部吸收，從而增加物體的熱能。

兩平板之間的熱輻射換熱公式為：

2　三維流場分析

2.1CFD模型網(wǎng)格域搭建

在汽車外流場數(shù)值模擬仿真中，計(jì)算域的大小對計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果精度具有重要影響。計(jì)算域過小，將導(dǎo)致分析模型與實(shí)際情況相差過大；計(jì)算域過大則會導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，從而影響數(shù)值計(jì)算的效率。本文選取的計(jì)算域：車輛前部取3倍車長，尾部取6倍車長，側(cè)面取7倍車寬，上部取5倍車高，如圖1。

圖1 計(jì)算域示意圖

網(wǎng)格是流場的空間離散形式，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格憑借其生成方法簡單、快速以及對復(fù)雜流場極好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車流場和傳熱分析中得到了廣泛應(yīng)用。利用已劃分好的整車面網(wǎng)格模型，在進(jìn)氣格柵、冷卻系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)艙等對流動和傳熱影響較大的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。為提高對機(jī)艙內(nèi)零部件表面流動與傳熱模擬的準(zhǔn)確性，在機(jī)艙內(nèi)零部件表面拉伸出3層棱柱層網(wǎng)格，滿足y+≈30。整個(gè)計(jì)算模型網(wǎng)格在3000萬左右。

2.2機(jī)艙內(nèi)部模型創(chuàng)建

在汽車機(jī)艙冷卻進(jìn)氣與傳熱分析中，采用多孔介質(zhì)模型建立冷凝器的流動阻力和換熱計(jì)算模型，冷卻風(fēng)扇則通過旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)方法仿真［3］。

對于簡單均勻多孔介質(zhì)，動量損失源項(xiàng)模型如下：

在使用多孔介質(zhì)的等效壓力模型時(shí)，需要首先確定模型的等效壓力參數(shù)，其中多孔介質(zhì)模型主要是粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。根據(jù)冷凝器空氣側(cè)壓力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到冷凝器迎風(fēng)面速度與壓力損失的數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖1可以擬合出冷凝器迎風(fēng)面速度與壓降的關(guān)系式：

冷凝器厚度Δ n=0.0 1 2 m，與中冷器求解類似，計(jì)算得到冷凝器的粘性阻力系數(shù)α-1=4.12×107，慣性阻力系數(shù)C2=256.54。

圖1　冷凝器壓力性能數(shù)據(jù)

2.3邊界條件設(shè)置

本文機(jī)艙進(jìn)氣與傳熱分析中的工況為環(huán)境溫度35 下，車速為85km/h（23.61m/s），風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為2200rpm。

邊界條件對CFD仿真分析結(jié)果具有重要影響，設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，不僅能使計(jì)算更為穩(wěn)定、結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且還能加速計(jì)算過程的收斂。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及參考文獻(xiàn)，本分析外部邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1　外部邊界條件設(shè)置

2.4機(jī)艙流場結(jié)果分析

從中截面流線圖，圖2可以看出前端格柵的流線并未直接穿過冷凝器與電子扇。進(jìn)風(fēng)模塊的上半?yún)^(qū)域基本是靠機(jī)艙內(nèi)部回流實(shí)現(xiàn)，這樣的進(jìn)風(fēng)模型容易導(dǎo)致艙內(nèi)氣流的反復(fù)加熱，最終導(dǎo)致機(jī)艙溫度升高，冷凝器的散熱量不夠。

圖2　中截面流線圖

圖3　電子扇出口面溫度分布云圖

電子扇出口區(qū)域的溫度分布如圖3，出風(fēng)溫度在70℃以上，該高溫氣流經(jīng)電子扇吹進(jìn)機(jī)艙將會對零部件表面進(jìn)行加熱，從而影響部件的正常工作性能。通過冷凝器的空氣速度分布圖，如圖4最大速度大約在2m/s，大部分區(qū)域在1m/s，該進(jìn)風(fēng)速度對于一般機(jī)艙設(shè)計(jì)而言是偏少的。

圖4　通過冷凝器空氣速度分布云圖

機(jī)艙前端進(jìn)氣模塊3d流線圖如圖5，左圖顯示電子扇區(qū)域的氣流吹出后會從機(jī)艙上方繞回前端進(jìn)氣模型，形成明顯的熱風(fēng)回流現(xiàn)象。這種回流對機(jī)艙的散熱是不利的。右圖顯示的是下格柵氣流的流動，氣流經(jīng)過下格柵后并未大范圍通過前端冷卻模塊。這股氣流對前端進(jìn)氣量并無明顯貢獻(xiàn)，只是對驅(qū)動電機(jī)的散熱有一定好處。

圖5　前端模塊3d流線分布示意圖

綜上所述，當(dāng)前機(jī)艙設(shè)計(jì)存在過熱風(fēng)險(xiǎn)，主要是冷凝器進(jìn)風(fēng)速度偏小，前端進(jìn)氣區(qū)域上半部分熱風(fēng)回流，電子扇出風(fēng)溫度過高等原因。

3　機(jī)艙熱輻射模型分析

對流換熱和輻射換熱是機(jī)艙換熱的兩種主要方式，且二者相互耦合。傳統(tǒng)CFD分析可以較準(zhǔn)確的模擬對流換熱，但在考慮熱輻射時(shí)，將導(dǎo)致收斂困難、計(jì)算周期過長。另外，其分析模型的網(wǎng)格數(shù)目通常較大，加入輻射模型仿真后計(jì)算機(jī)資源將嚴(yán)重不足。這也是在機(jī)艙熱管理分析時(shí)常常忽略熱輻射因素的原因。熱分析軟件RadTherm以面網(wǎng)格為計(jì)算模型，具有計(jì)算量小、計(jì)算速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，相比基于體網(wǎng)格模型計(jì)算的CFD軟件，在考慮熱輻射時(shí)，其仿真周期大大縮短，在汽車機(jī)艙熱保護(hù)、乘員艙熱舒適性等分析中得到廣泛應(yīng)用。

RadTherm在熱分析計(jì)算時(shí)以殼單元網(wǎng)格為載體，無需生成實(shí)體網(wǎng)格，因此，在前處理時(shí)，大部分的幾何數(shù)據(jù)可清除掉，同時(shí)一些對熱分析計(jì)算結(jié)果影響較小的部件可以忽略，可節(jié)省網(wǎng)格生成和分析計(jì)算時(shí)間，提高熱分析效率。針對當(dāng)前問題我們需要校核的是驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、DCDC的表面溫度分布，只需要建立這三個(gè)部件的熱分析網(wǎng)格即可，網(wǎng)格數(shù)量約6萬，比機(jī)艙流場分析模型的3000萬大大減少，提高了模型的計(jì)算效率。模型按照輸入要求分布對驅(qū)動電機(jī)施加1.2kw熱源，控制器施加0.9kw熱源，DCDC施加0.4kw熱源。

3.1熱流耦合模型說明

建立機(jī)艙對流換熱和熱輻射之間的耦合分析流程，首先，在熱分析計(jì)算網(wǎng)格模型建立后，確定所要分析的穩(wěn)態(tài)工況，將熱分析計(jì)算作為耦合計(jì)算的起點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定初始對流換熱邊界條件，將計(jì)算得到機(jī)艙零部件壁面溫度Tjw導(dǎo)入到CFD模型中，作為分析計(jì)算的熱邊界條件，求解CFD模型；再將計(jì)算得到的機(jī)艙零部件對流換熱邊界條件h（ti）j和Tf（ti）j導(dǎo)入到RadTherm熱分析模型中，作為對流換熱邊界條件，重新計(jì)算，得到新的壁面溫度，并判斷是否收斂，至此，完成一次耦合迭代分析。重復(fù)上述耦合迭代過程，當(dāng)壁面溫度Tjw收斂后，輸出此次熱分析的對流邊界條件h（ti）和Tf（ti），作為瞬態(tài)分析時(shí)插值點(diǎn)的對流換熱邊界條件，耦合計(jì)算結(jié)束。該耦合過程僅限于穩(wěn)態(tài)分析，其中ti為插值點(diǎn)i（i=1，2，…，8）對應(yīng)的時(shí)間，j（ j=1，2，…）為耦合迭代次數(shù)。

3.2耦合計(jì)算結(jié)果分析

該電動車的艙內(nèi)部件，主要校核的是驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)控制器以及DCDC的表面溫度。圖6顯示了當(dāng)前狀態(tài)三個(gè)部件的溫度分布，其中驅(qū)動電機(jī)的最高溫度在128℃，電機(jī)控制器最高溫度在78℃，DCDC的最高溫度在58℃。

圖6　機(jī)艙內(nèi)部部件溫度分布云圖

4　改進(jìn)方案及驗(yàn)證分析

4.1改進(jìn)方案說明

針對上述的原始模型分析，核心問題在于機(jī)艙的進(jìn)風(fēng)量太低，而造成進(jìn)風(fēng)量過低主要是目前階段造型的上方格柵開口位置不合理。根據(jù)仿真分析提出如圖7的優(yōu)化方案，將上方格柵的開口區(qū)域增大，沿著高度方向向下增加7排進(jìn)氣孔。

圖7　格柵優(yōu)化方案圖示

4.2方案驗(yàn)證分析

優(yōu)化格柵后，在冷凝器上方區(qū)域的回流規(guī)模大大減小，并且有明顯的低溫氣流從前端進(jìn)入，如圖8。

圖8　中截面流線分布圖

圖9　電子扇出口面溫度分布云圖

由于進(jìn)氣量的增加，電子扇出口的空氣溫升明顯下降，圖9冷凝器進(jìn)風(fēng)速度在上半?yún)^(qū)域具有明顯提升，如圖10所示。

圖10　通過冷凝器空氣速度分布云圖

同樣經(jīng)過熱輻射的耦合，計(jì)算出優(yōu)化方案下三個(gè)主要參考部件的溫度分布。由圖11看出由于電子扇出風(fēng)溫度的下降，吹進(jìn)機(jī)艙內(nèi)部的氣流溫度相應(yīng)降低，并且對考察部件產(chǎn)生了冷卻效應(yīng)，驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)控制器、DCDC的表面溫度均有不同程度的下降。

圖11　機(jī)艙內(nèi)部部件溫度分布云圖

表2對原始狀態(tài)和優(yōu)化方案的主要校核目標(biāo)進(jìn)行了量化比較，由表中數(shù)據(jù)可知，電子扇出風(fēng)溫度下降了26℃，冷凝器進(jìn)風(fēng)量則增加大約87.9%，驅(qū)動電機(jī)溫度下降8℃，電機(jī)控制器表面溫度下降6℃，DCDC表面溫度下降6℃。

表2　主要評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5　結(jié)論

本文以某在研新能源車為背景，針對機(jī)艙冷卻進(jìn)氣和機(jī)艙零部件熱保護(hù)數(shù)值仿真分析中存在的不足展開本文相關(guān)研究，并且針對存在的工程問題進(jìn)行了優(yōu)化方案校核。主要結(jié)論如下：

（1）通過對等效壓力模型建立了三維整車機(jī)艙冷卻進(jìn)行與傳熱分析模型，直接根據(jù)CFD分析計(jì)算結(jié)果判斷散熱模塊進(jìn)氣量是否滿足要求，從而可以提高機(jī)艙冷卻進(jìn)氣分析的效率。

（2）根據(jù)現(xiàn)有的CFD軟件和熱分析軟件RadTherm各自在對流換熱和熱輻射分析上的優(yōu)勢，該耦合仿真分析方法在極大提高熱輻射計(jì)算效率的同時(shí)保證了分析結(jié)果的精度，能夠在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)問題并提供解決方案，從而有效縮短開發(fā)周期、節(jié)省開發(fā)成本。

（3）在本開發(fā)項(xiàng)目車型通過對格柵開口位置的優(yōu)化，增大了冷凝器進(jìn)風(fēng)量，降低了電子扇出風(fēng)溫度和機(jī)艙溫度，并且對于主要的考察部件溫度也有進(jìn)一步下降。通過結(jié)合CFD和熱輻射耦合方法在開發(fā)前期避免了機(jī)艙過熱風(fēng)險(xiǎn)，為該新能源車的節(jié)約了開發(fā)時(shí)間和成本。

［1］袁狹義，谷正氣，楊易，袁志群等.汽車發(fā)動機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程，2009， 31（9）:843-847.

［2］陳鴻明，武亞嬌，華益新，楊雪松.汽車熱管理瞬態(tài)分析與應(yīng)用［J］.汽車工程，2014， 36（2）:249-253.

［3］袁俠義.汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理研究與改進(jìn)［D］.湖南大學(xué)，2010.

［4］王福軍編著.計(jì)算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］谷正氣.汽車空氣動力學(xué).力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

Research on Numerical Simulation Analysis of Green Car Underhood Thermal Design

Ningjie Wang1， Wuyang Tang2
（1. AISN Innovative Design and Manufacturing CO.，LTD.， Liuzhou， Guangxi， 545000， China；
2. AISN AUTO R&D CO.，LTD.，Changsha， Hunan， 410013， China）

The traditional vehicle underhood thermal management directly influenced the performance of engine and components in underhood， and then influenced the power， safety， reliability， emission and fuel economy of the vehicle. For green car thermal design is an essential part of good cooling air intake to ensure good heat dissipation. Details of flow field determines the surface temperature of the components of a direct impact on whether the underhood components to work properly. Traditional CFD analysis can be more accurately simulate convection heat transfer， but in consideration of heat radiation， would cause convergence difficulties， the calculation period is too long. In this paper， the front-end flow and component temperature distribution two aspects were studied. First， highly accurate flow field simulation front-end flow analysis introduced through porous media， rotating reference frame and other methods. Secondly， combine CFD software and thermal analysis software RadTherm established a set of coupling analysis， the effective thermal radiation and flow analysis to improve efficiency while ensuring the accuracy to meet the engineering requirements， so as underhood thermal protection designed to provideeffective guidance.

Green Car； Underhood Thermal Management； Cooling Air Intake； Thermal Protection； Coupling Analysis

E-mail: jack_af.127@163.com

U467.4+1

A

2095-8412 （2016） 03-322-07

王寧潔（1983-），男，本科，助理工程師，主要從事車身設(shè)計(jì)方面的工作。