謝暴,許述財(cái),陶其銘
(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽合肥230011;2.清華大學(xué)汽車工程系,北京100084;3.江淮汽車股份有限公司,安徽合肥230601)
基于STAR-CCM+的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析與研究
謝暴1,許述財(cái)2,陶其銘3
(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽合肥230011;2.清華大學(xué)汽車工程系,北京100084;3.江淮汽車股份有限公司,安徽合肥230601)
在車輛開發(fā)過程中,應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)某款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行熱管理仿真分析,獲得發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布,并對(duì)機(jī)艙內(nèi)存在的過熱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化.通過試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的可行性,為發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了技術(shù)支持.
CFD;發(fā)動(dòng)機(jī)艙;溫度場(chǎng);數(shù)值模擬
汽車工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)著人們對(duì)汽車安全性能、動(dòng)力性能及舒適性能的要求不斷提高[1],造成發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流密度明顯增大,而現(xiàn)代汽車采用的低車身、小型化的設(shè)計(jì)趨向使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱情況更加嚴(yán)峻[2].發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的這些熱量若無法及時(shí)、有效的耗散,會(huì)引起艙內(nèi)局部過熱,使溫度敏感部件(如艙內(nèi)線束、橡膠件、電子設(shè)備等)無法正常工作或損壞,同時(shí)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了新的要求.因此采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析手段和方法,對(duì)汽車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義[3].汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的散熱情況進(jìn)行模擬分析,涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵部件保護(hù),以確保在不同的狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的各部件都能夠正常運(yùn)行,并通過系統(tǒng)性地優(yōu)化提高各部件的性能、降低試驗(yàn)開發(fā)成本,是整車開發(fā)中十分重要的環(huán)節(jié).
本文運(yùn)用CFD方法,對(duì)某款車型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析,得到前艙流場(chǎng)和重要熱敏感部件壁面溫度場(chǎng)分布,并通過優(yōu)化使其滿足設(shè)計(jì)要求,結(jié)合熱環(huán)境艙試驗(yàn)驗(yàn)證,為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了技術(shù)支持.
1.1幾何模型
發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理三維仿真分析模型如圖1所示,主要包括:機(jī)艙內(nèi)所有部件、白車身及外部覆蓋件、排氣系統(tǒng)等.
圖1 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析模型
對(duì)初始CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行包面,最終生成體網(wǎng)格,網(wǎng)格類型為Trim網(wǎng)格,總數(shù)為1122萬,其結(jié)果如圖2示.
圖2 Y=0截面網(wǎng)格模型示意圖
1.2數(shù)學(xué)模型
1.2.1基本控制方程
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)一般視為定常、三維不可壓縮流場(chǎng),因此可假設(shè)其流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)湍流[4].將流體視為由連續(xù)分布的無數(shù)流體微團(tuán)構(gòu)成,其滿足連續(xù)性方程、N-S方程及能量守恒方程[5]:
式中ρ為流體密度,V為速度向量,?為哈密頓算子,
式中P為作用在流體微團(tuán)表面的壓力;fx,fy,fz為作用x,y,z 3個(gè)方向上的體積力;τxx,τyy,τzz為流體微團(tuán)之間相互作用的正應(yīng)力;τyx,τzx,τxy,τzy,τxz,τyz為流體微團(tuán)之間相互作用的剪切應(yīng)力.
將以上方程在流體計(jì)算域所劃分的網(wǎng)格上進(jìn)行數(shù)值離散,得到一組差分方程組,根據(jù)已知的邊界條件,求解該方程組即可得到各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上物理量,從而得到整個(gè)流場(chǎng)[6].若要計(jì)算溫度場(chǎng),則增加能量方程即可.
1.2.2湍流模型
標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型是目前汽車?yán)@流計(jì)算中應(yīng)用最普遍的湍流模型[7],即分別引入湍流動(dòng)能κ及耗散率ε的方程.
κ方程為:
由于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型只適合模擬完全湍流的流動(dòng)過程,而汽車?yán)@流計(jì)算為含壁面約束的湍流流動(dòng),所以需采用壁面函數(shù)法對(duì)壁面附近的區(qū)域進(jìn)行處理[9].采用穩(wěn)態(tài)過程計(jì)算,在計(jì)算過程中同時(shí)考慮對(duì)流和輻射兩種傳熱方式,輻射計(jì)算采用S2S輻射傳熱模型.
1.3邊界定義
計(jì)算域進(jìn)口根據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)定速度入口為80 km/h,溫度為40℃.
采用多孔介質(zhì)模型來模擬冷凝器和散熱器的阻力特性,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別擬合冷凝器和散熱器芯體的慣性阻尼系數(shù)及兩者的黏性阻尼系數(shù),見表1.
表1 冷卻模塊芯體阻尼系數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部高溫?zé)嵩磳?duì)周邊零部件產(chǎn)生熱輻射影響,因此需將高溫部件作為邊界條件,其試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2.
風(fēng)扇采用MRF隱式算法.艙內(nèi)主要熱源表面由試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果給定溫度邊界,其他部件表面給定絕熱邊界及材料輻射系數(shù)以求解其表面溫度分布.
表2 熱源邊界數(shù)據(jù)
2.1流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析
典型截面速度分布見圖3,從圖中可以看出,冷卻氣流從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后,一部分氣流從冷卻模塊四周泄露,直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙,沒有起到有效的冷卻作用,需要增加導(dǎo)流板.
圖3 截面速度分布示意圖
圖4為典型截面溫度場(chǎng)分布,從圖中可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管及催化器處存在高溫區(qū)域,可能會(huì)使該區(qū)域附近的電器零部件或溫度敏感部件不能有效工作.
圖4 截面溫度分布示意圖
2.2發(fā)動(dòng)機(jī)艙優(yōu)化
經(jīng)過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析,發(fā)現(xiàn)散熱器等周圍存在泄漏現(xiàn)象,針對(duì)散熱器處冷卻氣流的泄漏情況,考慮在散熱器周邊增加擋風(fēng)罩,如圖5.
圖5 增加擋風(fēng)罩方案示意圖
將優(yōu)化方案和原分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖6),可以看出,增加擋風(fēng)罩后,有效解決了漏風(fēng)問題,與原始狀態(tài)相比,散熱器和冷凝器風(fēng)量明顯提高,表3所示為優(yōu)化前后通過冷凝器、散熱器及中冷器風(fēng)量變化對(duì)比.
圖6 優(yōu)化前后Y=0截面速度對(duì)比圖
從表3可以看出,優(yōu)化前后,冷凝器、散熱器及中冷器風(fēng)量分別提高了4.48%、 37.31%和25.55%.同時(shí),進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)分析對(duì)比,優(yōu)化后機(jī)艙高溫區(qū)溫度整體降低,優(yōu)化前后考查項(xiàng)及溫度敏感部件溫度對(duì)比如圖7所示.
從圖7可以看出,除風(fēng)扇后及轉(zhuǎn)向軸殼體外,其余溫度敏感部件的溫度均有不同程度的下降,發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度由原來的111.6℃下降為103.9℃,下降明顯,說明優(yōu)化方案合理可行.
表3 優(yōu)化前后通過冷卻部件風(fēng)量變化
圖7 優(yōu)化前后考查項(xiàng)及艙內(nèi)主要熱敏感部件溫度對(duì)比圖
通過試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案在實(shí)車中的效果,散熱元件增加擋風(fēng)裝置后在環(huán)境倉(cāng)對(duì)該車進(jìn)行整車熱平衡及熱害試驗(yàn),總計(jì)布置溫度傳感器147個(gè),電流電壓檢測(cè)器8個(gè),ECU檢測(cè)信號(hào)62個(gè),如圖8所示.
圖8 傳感器布置示意圖
布置完測(cè)點(diǎn)后,風(fēng)洞升溫至40℃,風(fēng)速達(dá)到80 km/h,并施加8%的坡度后開始測(cè)試.所測(cè)各點(diǎn)的溫度基本穩(wěn)定后,以20s的時(shí)間間隔記錄各點(diǎn)的溫度,多次測(cè)試取其平均值,仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖9所示.
圖9 仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比
通過圖9中的對(duì)比可以看出,目前的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差,但差值均在10%以內(nèi),可以滿足工程的需要.
在某轎車開發(fā)過程中,使用CFD技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析,針對(duì)冷卻模塊處的泄漏情況及發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱風(fēng)險(xiǎn)提出改進(jìn)方案,并進(jìn)行了分析驗(yàn)證.最終通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了此方法合理可行,能滿足工程需要.在整車開發(fā)階段,可對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)提供有力的技術(shù)支持.
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Thermal Managementsimulation andstudy on the Vehicle Engine Room of asedan Based onsTAR-CCM+
XIE Bao1,XUshucai2,TAO Qiming3
(1.Department of Mechanical Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230011;2.Department of Automotive Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084;3.Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd,Hefei 230601,China)
Numerical research was conducted on the thermal field of a certain model vehicle's engine compartment usingsTAR-CCM+software.Optimization was performed on potential overheated areas.Finally,the test results were compared with thesimulation results,which haveshown the promise of that approach and provided techniquesupport to the vehicle thermal field development.
CFD;engine room;temperature field;numericalsimulation
TH123
A
1008-2794(2015)04-0038-04
2015-05-06
安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于STAR-CCM+的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”(2013SQRL123ZD);安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(168)
謝暴,副教授,碩士,研究方向:數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造,E-mail:xiebaomail@126.com.