盧艷艷（天津雷沃動力有限公司，天津　300402）

卡車發(fā)動機艙流場與散熱性能的分析

盧艷艷
（天津雷沃動力有限公司，天津300402）

基于卡車發(fā)動機艙散熱環(huán)境的影響，使用CFD軟件對卡車發(fā)動機艙流場、溫度啟用仿真數(shù)值計算，關(guān)注對流、換熱、輻射等影響因素，仿真出冷卻模塊與高溫原件的散熱原理，對卡車發(fā)動機艙中的情況進行有效的分析。本文通過對CFD模型；邊界條件；計算結(jié)果及分析三個方面進行了簡單的分析。

發(fā)動機艙；流場；溫度場；數(shù)值模擬；CFD

0　引言

隨著社會科學(xué)的不斷進步，人們對整車系統(tǒng)的熱管理研究與內(nèi)外流的熱傳有了更高的要求?？ㄜ嚨陌l(fā)動機包括：冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機本體、排氣歧管、油水電管路、高溫?zé)嵩础⑽ｋU部件等?？ㄜ嚢l(fā)動機艙熱輻射性很大，與內(nèi)外流形成固共扼傳熱效應(yīng)，因此，要改善這種惡劣的環(huán)境，提供科學(xué)的發(fā)動機艙布置與優(yōu)化方案。

1　CFD模型

1.1數(shù)值方法

在進行計算的過程中，要考慮卡車的車速與聲速，還要考慮空氣密度的變化情況等，當(dāng)馬赫數(shù)值很低的時候，在低速空氣動力學(xué)之中，屬于一種不可壓縮氣體。發(fā)動機艙的結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，有時會發(fā)生分流的情況，出現(xiàn)渦流，因此，可以使用有線體積法離散法控制方程。使用SIMPLE算法獲取離散方程組的壓力與速度耦合，在計算的全過程中，使用質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒定律，遵照湍流運輸方程。

1.2選擇網(wǎng)格劃分與計算域

依據(jù)風(fēng)洞試驗中的洞壁干擾、阻塞效應(yīng)、雷諾數(shù)效應(yīng)等影響情況下，對成車進行有效的設(shè)定：前距離與車長比是3：1，后距離與車長比是5：1，兩側(cè)與車寬比是10：1，高度與車高比是5：1，總截面積與車身截面積比是50：1。如圖1所示，由于受到分子粘性的影響，與壁面相鄰接的粘性底層中，湍流的數(shù)很低，所以，可以布置多個節(jié)點，在模型表面形成3層共3mm，地面表面形成6層共5Omm的邊界層來模擬近壁面氣體的流動，并對前格柵、發(fā)動機艙、車身下地面等主要流動和溫度區(qū)域進行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約是1780萬。

圖1　整車和計算域圖

1.3換熱器與風(fēng)扇的模型

由散熱器、中冷器、冷凝器等組成了卡車發(fā)動機艙內(nèi)的換熱器，主要的性能包括：換熱器內(nèi)部的流動特點、空氣側(cè)的流動特點、換熱器本身使用材料、結(jié)構(gòu)等。換熱器結(jié)構(gòu)主要是板翹，所有內(nèi)部的通風(fēng)口設(shè)計的很小，使得網(wǎng)格不能直接捕捉到內(nèi)部流動的變化，基于節(jié)約計算資源基礎(chǔ)下，通常使用熱交換器模型模擬換熱情況。

2　滿足邊界的條件

滿足邊界的條件有：速度入口、壓力出口、固體壁面等。車底流場直接受地面環(huán)境等因素的影響，可以對擾流特性、車底流場、發(fā)動機艙內(nèi)流情況進行干擾。所以，在計算的過程中，要考慮車身前端地面的滑移程度，后端地面的移動程度等因素，降低影響。使用湍流強度與特征尺度公式進行計算，具體如下：

式中：I表示湍流特征強度；L表示湍流特征尺度；LH表示模型特征尺度；Re表示雷諾數(shù)；u表示入口來流速度；P、μ表示當(dāng)前溫度下空氣的密度和粘度。

3　計算結(jié)果及分析

（1）分析與改進措施。分析：最大的扭矩工況、額定功率工況對發(fā)動機機艙散熱起到的作用。首先，通過截面圖分析基于最大扭矩工況背景下發(fā)動機艙內(nèi)的流場和溫度場狀況。氣流可以經(jīng)過上下格柵、保險杠、格柵間的接縫進入到機艙內(nèi)，形成流向冷卻模塊。通過中冷器、散熱器的運行，對后流速起到降低的作用，經(jīng)過散熱器后端的冷卻風(fēng)扇的抽吸作用后流速急速上升。在散熱器上端出現(xiàn)了明顯的渦流現(xiàn)象，并沿著駕駛室的下端回流到散熱器的前端?？諝饣亓鲗?dǎo)致了冷卻模塊的循環(huán)加熱，發(fā)動機艙的高溫區(qū)域在散熱器的后端和排氣歧管和渦輪增壓器附近的區(qū)域，最高溫度在118℃時，發(fā)動機艙的散熱環(huán)境很惡劣，要對艙內(nèi)結(jié)構(gòu)阻比回流進行優(yōu)化。散熱器下端的導(dǎo)流板導(dǎo)流作用不明顯，影響了中冷器的進風(fēng)量。

改進措施：①在散熱器兩側(cè)與車架縱梁之間添加阻風(fēng)板，阻斷回流。②在散熱器的上端添加隔板，隔斷散熱器上端的回流。③增大散熱器下端導(dǎo)流板的面積，增強散熱器與中冷器的進風(fēng)量。④動在中冷器和散熱器之間添加密封板，減少散熱器和中冷器之間的氣流泄漏。

（2）改進結(jié)構(gòu)前后對比分析。改進結(jié)構(gòu)前：受到熱回流的影響，中冷器前端的車架橫梁區(qū)域覆蓋著一層溫度是60℃左右的熱空氣，散熱器上端部分很多的熱空氣。改進結(jié)構(gòu)后：添加阻風(fēng)板以后，在中冷器前端的區(qū)域，空氣溫度與環(huán)境溫度適中，極大的改善了艙內(nèi)的熱環(huán)境。因此，在散熱器上端添加隔流板很好的隔絕回流。對比分析：改進結(jié)構(gòu)散熱器前端的區(qū)域存在大量高溫氣流，證明了之前對流場分析的熱空氣是沿著車架回流的設(shè)想。利用在散熱器兩側(cè)添加阻風(fēng)板的方法，改善了散熱器前端的空氣溫度與冷空氣適宜，說證明了阻風(fēng)板可以有效的隔斷回流。添加阻風(fēng)板可以有效的阻擋回流的發(fā)生，改善艙內(nèi)的熱環(huán)境。

4　結(jié)束語

綜上所述，使用CFD軟件對模擬汽車發(fā)動機艙散熱情況進行分析，包括發(fā)動機艙的流場與溫度場分布，同時對冷卻模塊的散熱性能進行校核。得出，熱回流可以影響發(fā)動機艙內(nèi)的散熱環(huán)境，使得工作環(huán)境很惡劣。阻風(fēng)板可以有效的改善回流現(xiàn)象，解決工作環(huán)境問題，提高導(dǎo)流效應(yīng)，加強冷器的進風(fēng)量。密封板可以提高中冷器與散熱器通道的密封性，減小漏風(fēng)，增強散熱的效率。

［1］曹國強，王良模，鄒小俊，袁劉凱，劉立軍.卡車發(fā)動機艙流場分析與散熱性能研究［J］.機械設(shè)計與制造，2013（8）45-46.：

［2］胡文成，王良模，鄒小俊，劉立軍.卡車發(fā)動機艙內(nèi)流動和散熱特性數(shù)值分析［J］.機械設(shè)計與制造，2014（4）：79-80.

［3］肖利英.微型汽車發(fā)動機艙散熱性優(yōu)化研究［J］.小型內(nèi)燃機與摩托車，2013（6）：654-655.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.062