劉水長(zhǎng)，李禮夫，張 勇，米承繼

基于雙場(chǎng)耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)散熱分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)?

劉水長(zhǎng)1，2，李禮夫2，張 勇1，米承繼1

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，株洲 412000； 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641)

針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)由于熱量富集和結(jié)構(gòu)擁擠而導(dǎo)致散熱困難的問(wèn)題，提出了雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱原理，并用于指導(dǎo)某款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱問(wèn)題的分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。首先，基于對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論，論述了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件強(qiáng)化散熱的空氣速度與溫度梯度的0°夾角原則，并據(jù)此根據(jù)自然對(duì)流換熱下的溫度場(chǎng)分布特征，推導(dǎo)了入流空氣速度的“輻射狀”優(yōu)化方向；然后，針對(duì)某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)排氣歧管散熱不足問(wèn)題，基于“輻射狀”優(yōu)化方向進(jìn)行艙內(nèi)流場(chǎng)散熱分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，確定了“散熱器-風(fēng)扇”導(dǎo)流罩組合的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。最終結(jié)果表明，排氣歧管對(duì)流換熱系數(shù)提高了37.5%，表面平均溫度降低了24.4%，周圍局部高溫消除，解決了艙內(nèi)散熱不足問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙；散熱；雙場(chǎng)耦合；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

前言

隨著高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)和眾多汽車新技術(shù)、新系統(tǒng)的不斷應(yīng)用，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱負(fù)荷日益增大而空間更加擁擠，導(dǎo)致散熱不足、局部高溫烘烤等問(wèn)題頻頻出現(xiàn)，影響汽車的運(yùn)行可靠性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。

20世紀(jì)70～80年代，文獻(xiàn)[1]中研究了重型貨車上冷卻系統(tǒng)安裝參數(shù)對(duì)其性能的影響，得出了密封罩應(yīng)該包圍風(fēng)扇的60%～70%的結(jié)論。近10年來(lái)，隨著CFD仿真技術(shù)和硬件技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱研究也逐漸成為汽車熱管理技術(shù)的重要組成部分。2006年，文獻(xiàn)[2]中分析了汽車行駛速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)氣量的影響；2007年，文獻(xiàn)[3]中以冷卻空氣流量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)改進(jìn)風(fēng)扇滿足散熱需求；2009年，文獻(xiàn)[4]中以冷卻空氣進(jìn)氣量為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)汽車前端結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行了優(yōu)化；2011年，文獻(xiàn)[5]中研究了自動(dòng)格柵百葉窗(AGS)的開度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)溫度的影響，所得結(jié)論為格柵工作點(diǎn)的選擇提供了指導(dǎo)；2011年，文獻(xiàn)[6]中以散熱器冷卻空氣流量為量化指標(biāo)，比較了前置和后置兩種放置方式對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)車輛低速行駛時(shí)后置方式較優(yōu)；2012年，文獻(xiàn)[7]中研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流量與車速呈線性關(guān)系；2012年，文獻(xiàn)[8]中以冷卻空氣流量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比了貨車?yán)鋮s部件3種布置方案的優(yōu)劣。另外，還有部分研究者針對(duì)某些具體車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)局部區(qū)域回流導(dǎo)致積熱升溫的問(wèn)題，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，如2006年的文獻(xiàn)[9]、2011年的文獻(xiàn)[10]和2014年的文獻(xiàn)[11]等。以上文獻(xiàn)表明，目前的研究主要通過(guò)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，消除局部區(qū)域回流、增加艙內(nèi)冷卻空氣進(jìn)氣量或流向散熱部件的冷卻空氣流量，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化散熱，但未考慮艙內(nèi)空氣的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)對(duì)散熱的耦合影響。而在日益擁擠的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，增加冷卻空氣進(jìn)氣量會(huì)產(chǎn)生較大附加氣動(dòng)阻力；艙內(nèi)結(jié)構(gòu)可變幅度小，難以通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)大幅度增加某散熱部件冷卻空氣流量，且增大某個(gè)部件的空氣流量也會(huì)導(dǎo)致其他部件的空氣流量不足，進(jìn)而又造成艙內(nèi)各處散熱不足此消彼長(zhǎng)等問(wèn)題產(chǎn)生。

針對(duì)上述發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱研究中存在的問(wèn)題，本文中基于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域中的場(chǎng)協(xié)同理論，提出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件的雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱原理，通過(guò)充分利用艙內(nèi)有限冷卻空氣的散熱潛能解決散熱不足問(wèn)題，避免增加冷卻空氣流量導(dǎo)致的一系列問(wèn)題；并基于CFD仿真分析方法，運(yùn)用該雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱原理解決某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)排氣歧管散熱不足問(wèn)題。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱原理

1.1 場(chǎng)協(xié)同理論

在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，從溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的相互配合的角度對(duì)對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行了研究，形成了實(shí)現(xiàn)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化傳熱的場(chǎng)協(xié)同理論。在該理論中，將對(duì)流換熱過(guò)程看作有熱源的導(dǎo)熱過(guò)程，重新審視對(duì)流換熱的物理機(jī)制，獲得對(duì)流換熱強(qiáng)度計(jì)算式為

式中:Nu為努賽爾數(shù)，表征對(duì)流換熱強(qiáng)度的無(wú)量綱量；Pr為流體物性普朗特?cái)?shù)。由式(1)可知，對(duì)流換熱強(qiáng)度Nu不僅取決于流體運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)(Re)和流體物性普朗特?cái)?shù)(Pr)，還取決于無(wú)量綱速度U 和無(wú)量綱溫度梯度▽T 的點(diǎn)積在整個(gè)對(duì)流換熱區(qū)域內(nèi)的積分。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，對(duì)流換熱域中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)應(yīng)遵守以下3方面原則[12]:

(1)速度與溫度梯度間的夾角β:當(dāng)β＜90°時(shí)β應(yīng)盡可能??；當(dāng)β＞90°時(shí)，β應(yīng)盡可能大；

(2)速度、溫度梯度和夾角余弦的局部值應(yīng)同時(shí)比較大，即夾角余弦大的地方，速度與溫度梯度之值也應(yīng)該比較大；

(3)對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，截面上的速度分布與溫度分布應(yīng)盡可能的平坦(飽滿)，即流體速度剖面和溫度剖面盡可能均勻。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件，其散熱功率θ(單位W)計(jì)算式為

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；L為高溫部件幾何特征尺寸，m；λ為空氣熱傳率，W/(m·K)。將式(1)代入式(3)得式(4)。

由式(4)可知，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)幾何尺寸固定的高溫部件，若艙內(nèi)進(jìn)氣速度一定，且忽略空氣的物性參數(shù)變化，則高溫部件的散熱性能也取決于無(wú)量綱速度矢量U 和無(wú)量綱溫度梯度▽T的點(diǎn)積在整個(gè)對(duì)流換熱區(qū)域內(nèi)的積分，因此，與高溫部件發(fā)生熱交換的冷卻空氣流場(chǎng)也應(yīng)遵循場(chǎng)協(xié)同原則，以強(qiáng)化高溫部件散熱。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)以上對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同原則的第(2)項(xiàng)和第(3)項(xiàng)，因此，本文中主要基于原則的第(1)項(xiàng)研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件的雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱。

1.2 雙場(chǎng)0°夾角原則

為進(jìn)一步明確發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱的夾角取值原則，即上節(jié)中原則的第(1)項(xiàng)結(jié)合對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同基本理論和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件散熱特點(diǎn)，展開論述如下。

把對(duì)流換熱看作有熱源的導(dǎo)熱過(guò)程時(shí)，對(duì)流換熱域中的能量守恒方程由式(5)表示，式左邊為流體流動(dòng)過(guò)程中對(duì)流換熱源項(xiàng)的總和，右邊為壁面熱流，即從壁面?zhèn)鬟f給流體的熱量值，它正是要強(qiáng)化的對(duì)象。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件與附近冷卻空氣發(fā)生對(duì)流換熱時(shí)，高溫部件的壁面熱流方向是從壁面?zhèn)鬟f至流體，此時(shí)，式(5)中右邊值應(yīng)大于0，因而，式(5)左邊值也應(yīng)大于0，則式(5)左邊的空氣速度與溫度梯度的夾角應(yīng)小于90°，且夾角越小從高溫部件傳遞給空氣的熱量越多，夾角為0°時(shí)，從高溫部件傳遞給空氣的熱量達(dá)到極限最大值。

以上論述表明，如從雙場(chǎng)耦合的角度實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件強(qiáng)化散熱，與高溫部件發(fā)生對(duì)流換熱的冷卻空氣速度和溫度梯度的夾角應(yīng)盡可能小，最好為0°，將該夾角取值原則稱為0°夾角原則。

1.3 入流空氣速度“輻射狀”優(yōu)化方向

1.3.1 “輻射狀”優(yōu)化方向提出

為指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)速度場(chǎng)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱，根據(jù)以上雙場(chǎng)0°夾角原則，以自然對(duì)流換熱時(shí)艙內(nèi)高溫部件周圍的溫度場(chǎng)為參考[13－14]，推導(dǎo)強(qiáng)化散熱的速度場(chǎng)優(yōu)化方向。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙具有半封閉特點(diǎn)，且本文中所研究的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱不足的高溫部件排氣歧管的幾何結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形；另外，一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)復(fù)雜，流向高溫部件的氣流可能來(lái)自任何方向，因此，以置于半封閉空間中央的長(zhǎng)方體高溫部件為研究速度場(chǎng)優(yōu)化方向的簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。圖2為通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得的自然對(duì)流換熱情況下半封閉空間內(nèi)的溫度場(chǎng)，溫度梯度方向如圖2中箭頭所示，與壁面內(nèi)法線方向基本一致，圖中深色部分為高溫區(qū)域。

圖1 半封閉空間內(nèi)長(zhǎng)方體高溫部件

圖2 自然對(duì)流時(shí)散熱部件周圍溫度場(chǎng)

根據(jù)以上雙場(chǎng)0°夾角原則，空氣速度優(yōu)化方向與圖2中箭頭所示溫度梯度方向的夾角應(yīng)盡可能為0°，即空氣優(yōu)化速度方向也應(yīng)接近相應(yīng)壁面的內(nèi)法線方向，因此，在高溫部件附近，來(lái)自任意方向的冷卻空氣的速度優(yōu)化方向，構(gòu)成指向高溫部件的“輻射狀”，將該空氣速度方向簡(jiǎn)稱“輻射狀”優(yōu)化方向。

1.3.2 “輻射狀”優(yōu)化方向驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上“輻射狀”優(yōu)化方向的有效性，基于CFD仿真方法，以圖1所示簡(jiǎn)化模型為例，對(duì)入流空氣方向分別為“輻射狀”和非“輻射狀”方向的散熱情況進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)改變半封閉域邊界面上的空氣入口位置以控制入流空氣速度方向，共設(shè)置了3組對(duì)比方案，如表1所示。仿真計(jì)算時(shí)，各對(duì)比方案的冷卻空氣流量和高溫部件的初始溫度均一致。

表1 高溫部件仿真方案

(1)雙場(chǎng)夾角對(duì)比

圖3～圖5分別為3組對(duì)比方案的高溫部件空氣入流壁面附近的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。結(jié)合圖1半封閉域的各入口和出口位置和圖3～圖5的流場(chǎng)分布特征可知，由于方案1，3和5的入口正對(duì)高溫部件的表面，冷卻空氣近似沿“輻射狀”優(yōu)化方向流向高溫部件，且空氣溫度梯度方向仍然與內(nèi)法線方向基本一致，即空氣速度與溫度梯度的夾角接近0°，壁面附近的溫度較低；反之，方案2，4和6中的冷卻空氣未沿“輻射狀”優(yōu)化方向流向高溫部件，速度方向幾乎與等溫線平行，即空氣速度和溫度梯度的夾角接近90°，壁面附近的溫度較高。

圖3 方案1與方案2的雙場(chǎng)夾角對(duì)比(Y＝0對(duì)稱面)

圖4 方案3與方案4的雙場(chǎng)夾角對(duì)比(X＝0對(duì)稱面)

圖5 方案5與方案6的雙場(chǎng)夾角對(duì)比(X＝0對(duì)稱面)

(2)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)比

表2為各方案的對(duì)流換熱系數(shù)h。由表可見，由于方案1，3和5的入流冷卻空氣沿“輻射狀”優(yōu)化方向流向高溫部件，對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)分別大于相應(yīng)的對(duì)比方案2，4和6，散熱性能較好。

表2 各方案對(duì)流換熱系數(shù)h

上述以發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件簡(jiǎn)化模型為例的分析表明，入流空氣速度的“輻射狀”優(yōu)化方向可以減小對(duì)流換熱流場(chǎng)中速度矢量和溫度梯度矢量的夾角，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱。因此，基于該速度“輻射狀”優(yōu)化方向?qū)δ晨钇嚢l(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱問(wèn)題進(jìn)行分析，并改進(jìn)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化散熱。

2 原車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)散熱特性分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)CFD仿真

2.1.1 幾何模型

本文中所研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)幾何模型如圖6所示，其中，冷卻模塊中包含左、右兩個(gè)風(fēng)扇，散熱不足的排氣歧管位于發(fā)動(dòng)機(jī)后方。考慮汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)存在相互影響，建立含發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件的整車幾何模型，如圖7所示，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)仿真獲得發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙幾何結(jié)構(gòu)

圖7 整車幾何模型

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

(1)流動(dòng)與傳熱基本控制方程

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流速相對(duì)聲速較低，艙內(nèi)流動(dòng)可視為三維不可壓縮流，流場(chǎng)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程如下。

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

能量守恒方程:

式中:u為空氣速度，m/s；ρa(bǔ)為空氣密度，為常量1.025kg/m3；p為空氣壓力，Pa；ν為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s；f為微元體所受的體積力，N/m3；T為空氣溫度，℃；cpa為空氣比熱容，J/(kg·℃)；x，y，z為流場(chǎng)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的3個(gè)方向的坐標(biāo)值，m；Sτ為微元體能量源項(xiàng)，N/m3。

(2)湍流模型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙內(nèi)空氣流動(dòng)為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)。與湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)動(dòng)量守恒方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)，通過(guò)反映雷諾應(yīng)力與時(shí)均量之間關(guān)系的湍流模型來(lái)求解。目前，k-ε渦黏湍流模型應(yīng)用較為廣泛，其中，RNG k-ε模型可以較好地處理應(yīng)變率高、流向彎曲程度較大和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)大的流動(dòng)，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算。

(3)散熱器和風(fēng)扇

散熱器類部件包括水箱散熱器和冷凝器，由于保留散熱器芯體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，因此，將散熱器視為具有熱源特性的多孔介質(zhì)模型[15]。風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)的重要?jiǎng)恿υ?，尤其在汽車低速行駛時(shí)為艙內(nèi)空氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，為盡可能接近實(shí)際流動(dòng)，本文中建立了風(fēng)扇零部件的三維幾何模型，通過(guò)設(shè)定風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)參數(shù)，直接模擬風(fēng)扇周圍流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[16]。

2.1.3 邊界條件

在低速爬坡工況下，該車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱情況最惡劣。對(duì)該工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)與散熱情況進(jìn)行仿真時(shí)，相關(guān)邊界條件設(shè)置如下。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)艙外部邊界條件

入口與出口:入口為速度入口，速度為12.61m/s；出口為壓力出口，設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；入口和出口的溫度均設(shè)置為環(huán)境溫度，即散熱惡劣的40℃夏季高溫。

計(jì)算域邊界:與汽車輪胎接觸的邊界為地面，設(shè)置為移動(dòng)壁面，其速度與入口速度大小一致，溫度為58℃(某城市40℃高溫天氣時(shí)測(cè)試獲得的實(shí)際路面溫度)，其他3個(gè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界。

(2)車身及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件

除水箱散熱器和冷凝器的迎風(fēng)面和出風(fēng)面外，車身和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他零部件表面均為一般壁面邊界類型；艙內(nèi)各散熱部件的散熱負(fù)荷如表3所示；風(fēng)扇開啟，其轉(zhuǎn)速為3 000r/min。

表3 散熱部件散熱功率kW

(3)流場(chǎng)數(shù)值求解設(shè)置

數(shù)值計(jì)算相關(guān)設(shè)置見表4。

表4 求解參數(shù)設(shè)置

2.2 流場(chǎng)散熱特性分析

2.2.1 空氣流動(dòng)路徑

為便于分析和描述仿真所得的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)和散熱情況，以發(fā)動(dòng)機(jī)為參考將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間分為前端和后端兩部分，并且取通過(guò)排氣歧管的x＝－0.14平面為流場(chǎng)觀察面，具體如圖8所示，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)前端流動(dòng)情況

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)分區(qū)及x＝－0.14平面

由圖9可見，從進(jìn)氣格柵進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻空氣L1，分成兩個(gè)分支，一個(gè)分支L2穿過(guò)散熱器組向后方流動(dòng)，另一個(gè)分支L3由散熱器組四周漏流向后方，且散熱器上方漏流L3－1為主要部分；L2流入散熱器組后，大部分L5經(jīng)由位置偏下的風(fēng)扇流向后方，少部分L4從散熱器組上方流出，再與散熱器上方漏流L3－1匯合后流向進(jìn)氣歧管，然后大部分再向下流動(dòng)，與L5匯合，形成L6從發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部流出，只有小部分空氣L7從變速器上方、發(fā)動(dòng)機(jī)上方和發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端。

另外，由圖10可見，受位于發(fā)動(dòng)機(jī)下方油底殼的阻擋作用，空氣L6大部分從右邊的變速器底部流向右后方，而從油底殼底部流向后方的氣流較少，這種偏右流動(dòng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端出流在油底殼附件發(fā)生回流，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端熱量的散發(fā)，容易導(dǎo)致排氣歧管下方高溫空氣積聚。

圖9 右視三維流線

圖10 仰視三維流線

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端流動(dòng)情況

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端，由于來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)上方、變速器上方和發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)的空氣L7較少，如圖11所示，因而大部分區(qū)域速度小于3m/s，如圖12所示；且來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)上方的空氣，大部分繞過(guò)排氣歧管直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后下方，如圖9所示，使其周圍的空氣流動(dòng)速度更低，為1m/s左右，如圖12所示。

圖11 后視三維流線

圖12 后視x＝－0.14平面速度圖

2.2.2 雙場(chǎng)耦合分析

通過(guò)以上分析可知，流向排氣歧管的空氣來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)上方、變速器上方和發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)。但發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)空間狹小，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)上方和變速器上方是流向排氣歧管的空氣的主要通道，則排氣歧管的主要空氣入流面為上表面和右側(cè)面。根據(jù)以上高溫部件入流空氣速度的“輻射狀”優(yōu)化方向可知，流向排氣歧管的入流空氣速度的理想方向應(yīng)如圖12中的空心箭頭所示。

結(jié)合圖9和圖11可知，在原車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)情況下，從變速器上方流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣產(chǎn)生了彎曲與回旋，使排氣歧管右側(cè)的空氣速度方向雜亂，與理想方向相差較大(如圖12所示)，不能充分利用冷卻空氣的散熱潛能；另外，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)上方的空氣大部分繞過(guò)排氣歧管向后流，因此到達(dá)排氣歧管上方的空氣主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)和變速器上方，這種流動(dòng)在排氣歧管上方形成的空氣速度方向也與理想方向相差較大，尤其在排氣歧管左上方，空氣速度方向與理想方向幾乎垂直(如圖12所示)，會(huì)嚴(yán)重制約冷卻空氣散熱潛能的發(fā)揮。

2.2.3 原車散熱情況

由以上艙內(nèi)空氣流動(dòng)情況分析可知，含排氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端的空氣速度僅約為1m/s，空氣在排氣歧管周圍形成的速度方向與“輻射狀”優(yōu)化方向相差較大，且發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端出流產(chǎn)生回流導(dǎo)致熱量散發(fā)不暢，均不利于發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端排氣歧管散熱。仿真所得排氣歧管的對(duì)流換熱系數(shù)僅為16.08W/ (m2·℃)，其表面大部分區(qū)域溫度高于560℃(833K)，平均溫度為668℃，如圖13所示，且其周圍存在局部高溫:右側(cè)和下方存在較大面積的高于62℃(335K)的局部高溫，上方中部偏左出現(xiàn)了較大面積的高于139℃(412K)的局部高溫，如圖14所示。

圖13 排氣歧管表面溫度

圖14 排氣歧管周圍空氣溫度

3 基于雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析所得原車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)和排氣歧管周圍空氣速度方向的不合理性，考慮實(shí)車艙內(nèi)結(jié)構(gòu)限制，設(shè)計(jì)如圖15所示的4種發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，以盡可能增大流向排氣歧管的空氣流量，并改善空氣速度方向，實(shí)現(xiàn)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱。

圖15 后端流場(chǎng)強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

(1)增加散熱器導(dǎo)流罩方案

在散熱器四周增加導(dǎo)流罩，以消除漏流，引導(dǎo)空氣沿較直流線流向發(fā)動(dòng)機(jī)并到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端，尤其對(duì)散熱器上方大量漏流的導(dǎo)流作用，有利于增加從發(fā)動(dòng)機(jī)上方流向艙內(nèi)后端的空氣。

(2)增加導(dǎo)流板方案

在排氣歧管上方的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上加裝兩塊導(dǎo)流板，前導(dǎo)流板用于引導(dǎo)空氣向后下方的排氣歧管流動(dòng)，后導(dǎo)流板用于阻擋空氣繞過(guò)排氣歧管直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后下方，從而使排氣歧管上方空氣速度方向接近“輻射狀”優(yōu)化方向。

(3)右風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)方案

將右風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)，引導(dǎo)從右風(fēng)扇出來(lái)的空氣向正后方流動(dòng)，使更多的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端，同時(shí)減少空氣從變速器上方流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端過(guò)程中的流線彎曲程度，使排氣歧管右側(cè)空氣速度方向接近“輻射狀”優(yōu)化方向。

(4)左風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)方案

將左風(fēng)扇出口導(dǎo)流罩沿軸線方向延長(zhǎng)，用來(lái)引導(dǎo)從左風(fēng)扇出來(lái)的空氣向正后方流動(dòng)，使流向油底殼的空氣增加，減少?gòu)陌l(fā)動(dòng)機(jī)艙后端流出的熱空氣在油底殼附近產(chǎn)生回流和漩渦，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端熱量散發(fā)順暢。

3.2 各方案強(qiáng)化散熱特性分析

散熱器各方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)如圖16～圖19所示。

(1)散熱器導(dǎo)流罩的強(qiáng)化散熱特性分析

由圖16(a)可見，增加導(dǎo)流罩之后，散熱器四周的漏流基本消失，散熱器上方空氣在導(dǎo)流罩的作用下，直接繞過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)流向排氣歧管，如圖中箭頭指示。這種流動(dòng)一方面導(dǎo)致從發(fā)動(dòng)機(jī)上方流向排氣歧管的空氣增多，如圖16(b)所示，但排氣歧管周圍空氣速度并未明顯增大，仍然約為1m/s，如圖16(c)所示；另一方面，使空氣速度方向向下趨勢(shì)增強(qiáng)，與原車對(duì)比，空氣速度方向與箭頭所示“輻射狀”優(yōu)化方向的夾角減小。

圖16 散熱器導(dǎo)流罩方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)

綜合以上流動(dòng)情況可知，雖然排氣歧管周圍空氣速度未明顯增大，但其入流空氣速度方向改善，有利于從雙場(chǎng)耦合角度使排氣歧管散熱性能提高。其對(duì)流換熱系數(shù)提高至16.99W/(m2·℃)，比原車提高5.7%，其表面溫度降低，如圖16(d)所示，平均溫度為636℃(909K)，比原車降低4.8%，其上方的局部高溫空氣基本消失，但右側(cè)和下方仍存在較大面積局部高溫，如圖16(e)所示。

(2)導(dǎo)流板的強(qiáng)化散熱特性分析

由圖17(a)可見:導(dǎo)流板對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上前方空氣的向后流動(dòng)具有阻礙作用，使從發(fā)動(dòng)機(jī)上方流向后端區(qū)域的空氣相對(duì)原車有所減少；另一方面，如圖17(b)所示，發(fā)動(dòng)機(jī)上方空氣向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增強(qiáng)，使排氣歧管上方的空氣速度方向更接近“輻射狀”優(yōu)化方向。

圖17 導(dǎo)流板方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)

綜合以上流動(dòng)情況可知，雖然來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)上方的氣流減少，但排氣歧管上方的空氣速度方向改善，有利于從雙場(chǎng)耦合角度提高排氣歧管散熱性能。其對(duì)流換熱系數(shù)提高至16.69W/(m2·℃)，比原車提高3.8%，其表面溫度降低，如圖17(c)所示，平均溫度為646℃(919K)，比原車僅降低3.3%，且排氣歧管上方的局部高溫面積有所減小，但右側(cè)和下方仍存在較大面積局部高溫，如圖17(d)所示。

(3)右風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)的強(qiáng)化散熱特性分析

如圖18(a)所示，將右風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端空氣流動(dòng)變化較大:從變速器上方流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端的空氣增多，流線的彎曲與回旋程度大幅降低，且該部分空氣沿排氣歧管上方自右向左流動(dòng)，受發(fā)動(dòng)機(jī)左端零件的阻擋后，流動(dòng)方向向下偏轉(zhuǎn)，然后沿排氣歧管的下表面從左向右流動(dòng)，最后經(jīng)排氣管前段流向車身底部后方；如圖18(b)所示，與空氣流動(dòng)變化相對(duì)應(yīng)，排氣歧管周圍大部分空氣速度大于2m/s，且右側(cè)和上方的空氣速度方向也隨之發(fā)生變化，更接近“輻射狀”優(yōu)化方向。

圖18 右風(fēng)扇罩延長(zhǎng)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)

綜合以上流動(dòng)情況可知，不僅排氣歧管周圍空氣速度增大，且空氣速度方向也改善，從雙場(chǎng)耦合角度提高了其散熱性能。排氣歧管對(duì)流換熱系數(shù)提高至21.41W/(m2·℃)，比原車提高33.2%，其表面溫度高560℃(833K)的區(qū)域明顯減少，如圖18(c)所示，平均溫度降低至519℃(792K)，比原車降低22.3%，排氣歧管右側(cè)和上方的局部高溫空氣基本消失，但下方仍存在較大面積局部高溫，如圖18(d)所示。

(4)左風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)的強(qiáng)化散熱特性分析

如圖19(a)所示，將左風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部流經(jīng)油底殼的空氣增多，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端出流空氣在油底殼處的回流基本消失；同時(shí)，該部分流經(jīng)油底殼的空氣牽引其周圍空氣向車身底部流動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端上方的空氣近似豎直向下流經(jīng)排氣歧管，如圖19(b)所示。相對(duì)于原車，排氣歧管上方的空氣速度方向更接近“輻射狀”優(yōu)化方向，如圖19(c)所示。

綜合以上流動(dòng)情況可知，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端出流的回流消除，且排氣歧管上方入流空氣速度方向改善，不僅有利于發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端排氣歧管熱量排放順暢，也從雙場(chǎng)耦合角度提高了其散熱性能。排氣歧管對(duì)流換熱系數(shù)提高至17.83W/(m2·℃)，比原車提高10.1%，排氣歧管表面溫度降低，如圖19(d)所示，平均溫度降至609℃(882K)，比原車降低8.8%，排氣歧管上方局部高溫空氣基本消失，如圖19(e)所示；但另一方面，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端空氣流量未明顯增加，該區(qū)域的熱量仍難以及時(shí)散發(fā)，這部分熱量被流動(dòng)較順暢的空氣攜帶至排氣歧管下方，因而在排氣歧管下方形成局部高溫，如圖19(e)所示。

圖19 左風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)

圖20 組合方案結(jié)構(gòu)

3.3 組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)化散熱效果

(1)組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)

由以上4種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱特性分析可見，各改進(jìn)方案對(duì)排氣歧管的散熱效果不同，且均不能消除排氣歧管周圍全部高溫空氣，其中增加散熱器導(dǎo)流罩和導(dǎo)流板后，排氣歧管表面平均溫度降低程度均小于5%，且導(dǎo)流板存在阻礙前端空氣向后流動(dòng)的附加問(wèn)題，因此這兩種方案中僅保留散熱器導(dǎo)流罩方案，將其與左、右風(fēng)扇導(dǎo)流罩延長(zhǎng)方案組合，形成“散熱器-風(fēng)扇”導(dǎo)流罩組合方案，如圖20所示。

(2)組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化散熱效果

組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)如圖21所示。由圖21(a)可見，散熱器周圍漏流基本消失，從發(fā)動(dòng)機(jī)上方流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端的空氣增多；由圖21(a)和圖21(c)可見，從變速器上方流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端空氣也增多且流線彎曲程度減小，且因受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)上方空氣的阻礙作用，來(lái)自變速器上方的氣流未到達(dá)排氣歧管上方左端就轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)；由圖21 (d)可見，受延長(zhǎng)的左右風(fēng)扇罩的導(dǎo)流作用，從左右風(fēng)扇流出的空氣向后方流動(dòng)過(guò)程中的偏右程度也明顯減小，流經(jīng)油底殼的空氣明顯增多，使該處回流基本消失。

圖21 組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)

綜合以上流動(dòng)情況可知，在組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)下，不僅排氣歧管周圍空氣速度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端出流的回流消除，且排氣歧管入流空氣速度方向接近“輻射狀”優(yōu)化方向，從雙場(chǎng)耦合角度也提高了其散熱性能。排氣歧管對(duì)流換熱系數(shù)提高至22.1W/ (m2·℃)，比原車提高37.5%；其表面溫度高于560℃(833K)的區(qū)域明顯減小，如圖21(e)所示，平均溫度降為505℃(778K)，比原車降低24.4%；排氣歧管右側(cè)、上方和下方的高溫空氣均消失，如圖21 (f)所示，即艙內(nèi)散熱不足問(wèn)題基本解決。

4 結(jié)論

本文中針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱研究中存在的問(wèn)題，以某款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙為例，基于對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱研究，得出如下結(jié)論。

(1)基于對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論，闡明了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件強(qiáng)化散熱的空氣速度和溫度梯度的0°夾角原則，并以自然對(duì)流換熱狀態(tài)下的溫度場(chǎng)為參考，提出了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件強(qiáng)化散熱的入流空氣“輻射狀”優(yōu)化方向。

(2)基于“輻射狀”優(yōu)化方向，分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)與換熱特性，發(fā)現(xiàn)除冷卻空氣流量少和少量回流之外，排氣歧管入流空氣的流速方向不合理也是其散熱不足的重要原因。

(3)根據(jù)上述分析結(jié)果指導(dǎo)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，所獲得的“散熱器-風(fēng)扇”導(dǎo)流罩組合改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不僅增加了流向排氣歧管的冷卻空氣，而且改善了排氣歧管入流空氣的流速方向，從雙場(chǎng)耦合角度提高了排氣歧管散熱性能，使其對(duì)流換熱系數(shù)提高37.5%，表面平均溫度降為505℃，降低24.4%，周圍局部高溫消失，基本解決了艙內(nèi)散熱不足問(wèn)題。

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Flow Field Heat Dissipation Analysis and Structural Modification of Engine Compartment Based on Velocity-temperature Field Coupling

Liu Shuichang1，2，Li Lifu2，Zhang Yong1＆Mi Chengji1
1.School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412000；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641

Aiming at the heat dissipation difficulty of vehicle engine compartment caused by heat accumulation and structural congestion，a principle of velocity field-temperature field coupling intensified heat dissipation is proposed as a guide for the heat dissipation analysis and structural modification of a car engine compartment.Firstly，based on convective heat transfer field synergy theory，the principle of 0°angle between air velocity and temperature gradient for the intensified heat dissipation of hot components in engine compartment is expounded，and on this basis，the“radial”optimized direction of inflow air velocity is derived according to the distribution characteristics of temperature field under natural convection heat transfer.Then，aiming at the poor cooling of exhaust manifold in a car engine compartment，a study on the flow field heat dissipation analysis and structural modification of engine compartment is conducted based on“radial”optimized direction，with a scheme of“radiator-fan”deflector combination modified structure determined.The final results show that the convective heat transfer coefficient of exhaust manifold is enhanced by 37.5%，its average surface temperature is lowered by 24.4%，and the hot spots around exhaust manifold is eliminated，so the inadequate heat dissipation issue of engine compartment is resolved

engine compartment；heat dissipation；velocity field-temperature field coupling；structural modification

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.005

?湖南省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃優(yōu)秀青年項(xiàng)目(2015B066和2016B072)、湖南省自然科學(xué)基金(2017JJ2074)、中央財(cái)政汽車空氣動(dòng)力學(xué)及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(0420036017)資助。

原稿收到日期為2016年8月29日。

張勇，博士研究生，E-mail:zhangyong7051678＠163.com。