張佑源

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

基于CFD流程分析的商用車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張佑源

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過CFD流場(chǎng)分析手段對(duì)冷卻系統(tǒng)布置分析，冷卻系統(tǒng)零部件選型分析提供理論依據(jù)，并通過冷卻系統(tǒng)性能匹配試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)證明這種方法能夠模擬冷卻系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)，可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)匹配、零部件的選型及設(shè)計(jì)，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，以此縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

CFD；冷卻系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)；散熱能力

冷卻系統(tǒng)散熱對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、汽車乘坐舒適性和排放指標(biāo)具有重要意義，是目前提高發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)方面性能的重要技術(shù)手段。

影響散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素眾多，散熱系統(tǒng)必須具有足夠的散熱能力、且噪聲低、能耗小、可靠性高、成本低、維護(hù)便利、還要滿足整機(jī)外觀及安裝工藝要求等，設(shè)計(jì)需權(quán)衡各因素，開發(fā)出滿足客戶要求的散熱系統(tǒng)。

本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從CFD流場(chǎng)分析結(jié)果及零部件的設(shè)計(jì)理論入手指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)匹配、零部件的選型及設(shè)計(jì)，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，以此縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 散熱器設(shè)計(jì)選型分析

散熱器的作用是將各熱源系統(tǒng)的熱量傳遞給冷卻空氣，從而調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)溫度，使各系統(tǒng)在所有工況下保持在合適的溫度范圍內(nèi)，既不過熱，也不過冷。散熱器的性能受多方面因素的影響，主要包括：散熱器材料、芯體結(jié)構(gòu)、翅片結(jié)構(gòu)、散熱器的布置等。

1.1 散熱器芯子材料及結(jié)構(gòu)選擇

散熱器芯體是主要起散熱功能的部件，常用的材料有銅和鋁。由于鋁材具有良好的導(dǎo)熱性、可焊接、易成型性和可靠性，且重量輕，目前商用車上基本采用鋁質(zhì)散熱器。

散熱器芯體的結(jié)構(gòu)形式有很多種，常見的有板翅式、管帶式、管片式和管殼式。管帶式散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性不如板翅式，但零件少，制造工藝好、重量輕，成本低，散熱系數(shù)高，目前商用車上基本采用此結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 散熱器的布置形式

散熱器的布置形式可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，并聯(lián)是指將所有散熱器安裝于同一迎風(fēng)面上（可以是左右排列，也可以是上下排列），冷卻空氣同時(shí)經(jīng)過各散熱器；串聯(lián)是指將不同散熱器前后布置，冷卻空氣依次通過各散熱器。由于空間布置限制，商用車全部采用串聯(lián)布置形式。

2 確定散熱面積及外形尺寸

散熱面積是針對(duì)芯體而言，設(shè)計(jì)計(jì)算中忽略上、下水室散走的熱量，散熱面積主要受熱源系統(tǒng)的發(fā)熱量、翅片換熱系數(shù)及冷熱側(cè)溫差的影響，計(jì)算公式如下：

式中，φw為儲(chǔ)備系數(shù)，考慮焊接不良、水垢以及油泥等對(duì)散熱器性能的影響，可取φw=1.1～1.15；Qw為散熱器需帶走的熱量（kW）；△TKW為換熱介質(zhì)對(duì)數(shù)平均溫差（℃）；Kw為換熱系數(shù)（kW/（m2.℃）），根據(jù)具體翅片確定。

確定芯體尺寸主要指確定散熱器芯體的寬度W、高度H和厚度D.根據(jù)整車布置，空間邊界條件確定散熱器迎風(fēng)面積Swp（Swp=W×H）。根據(jù)散熱器面積Sw和迎風(fēng)面積Swp，可按下式計(jì)算芯子厚度H（m）：

式中，φv為容積緊湊性系數(shù)，主要取決于翅片參數(shù)，一般為400～900 m2/m3.

2 護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)分析

護(hù)風(fēng)罩作為將方形的散熱器過渡到做圓周運(yùn)動(dòng)的軸流冷卻風(fēng)扇的連接通道，可以提高風(fēng)扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣流均勻分布，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱空氣回流。護(hù)風(fēng)罩形狀設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的規(guī)則，通過CFD流場(chǎng)分析，使冷卻效率最優(yōu)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 拐點(diǎn)圓弧過渡

護(hù)風(fēng)罩拐點(diǎn)處應(yīng)設(shè)計(jì)出過渡圓弧，圓弧大小R=0.07D-0.12D（D為風(fēng)扇直徑），根據(jù)系統(tǒng)布置情況選擇合適圓角。圓弧過渡順滑，無突兀，可使氣流走向平滑、均勻。圖1為CFD分析實(shí)例。

圖1 圓弧過渡段CFD分析結(jié)果

2.2 平直段長(zhǎng)度

護(hù)風(fēng)罩由方形過渡為圓形，圓形平直段應(yīng)保證一定長(zhǎng)度，平直段長(zhǎng)度L=0.5-0.7d（d為風(fēng)扇最大投影厚度）。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，護(hù)風(fēng)罩平直段在推薦范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)扇性能及噪聲均處于較優(yōu)水平。

2.3 風(fēng)扇前端面與散熱器芯子距離

風(fēng)扇前端面與散熱器芯子距離L=0.25D-0.4 D，最小不能小于0.15D（D為風(fēng)扇直徑）。經(jīng)CFD分析結(jié)果顯示，風(fēng)扇與散熱器間距加大，風(fēng)量增加噪聲減小，而且在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，然后趨于平衡。

通過具體車型設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)例顯示，同等情況下風(fēng)扇與散熱器間距縮短約130 mm后，風(fēng)量下降達(dá)30%。并通過熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)扇到芯子的距離過小，散熱能力劣化嚴(yán)重。表1為對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

表1 同一布置狀態(tài)下風(fēng)扇與散熱器不同距離熱平衡試驗(yàn)結(jié)果

2.4 風(fēng)扇葉尖與拐點(diǎn)距離

通過CFD仿真分析，風(fēng)扇葉尖與拐點(diǎn)距離在5～10 mm最為合適。具體見圖2實(shí)例。

圖2 風(fēng)扇葉尖與拐點(diǎn)距離CFD分析結(jié)果

2.5 護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)要點(diǎn)匯總

通過CFD仿真分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，護(hù)風(fēng)罩形狀設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的規(guī)則?，F(xiàn)匯總?cè)绫?.

表2 護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)要求

3 風(fēng)扇選型分析

風(fēng)扇作為冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件總成，其工作原理是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇葉片切入空氣并推動(dòng)氣流做功，氣流獲得動(dòng)能（氣流具有運(yùn)動(dòng)速度）和靜壓（克服系統(tǒng)阻力使氣流通過），達(dá)到散熱目的[2]。

3.1 風(fēng)扇性能曲線落點(diǎn)應(yīng)避開喘振區(qū)

當(dāng)性能曲線交于喘振區(qū)時(shí)，由于系統(tǒng)阻力過大會(huì)造成原本連續(xù)流動(dòng)的氣流在葉道中脫離形成氣流團(tuán)[3]，在同一阻力下流量波動(dòng)大產(chǎn)生周期性的震蕩，進(jìn)而引發(fā)低頻脈動(dòng)噪聲，此時(shí)能耗、噪音大。

當(dāng)風(fēng)扇性能曲線與散熱器總的阻力曲線相交于喘振區(qū)時(shí)，更換風(fēng)扇葉形或者加大風(fēng)扇直徑。

3.2 輪轂比

通過CFD仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)扇輪轂比(D1/D)：推薦0.3～0.45較為合適。具體實(shí)例如圖3所示。

圖3 同款風(fēng)扇不同輪轂比下風(fēng)扇出風(fēng)流程分析

兩個(gè)車型采用同款風(fēng)扇，直徑700風(fēng)扇風(fēng)軸向吹出，直徑640風(fēng)扇（由700風(fēng)扇切割而成）在無發(fā)動(dòng)機(jī)擋風(fēng)的情況下風(fēng)向四周擴(kuò)散，引起揚(yáng)塵。實(shí)測(cè)結(jié)果線束640風(fēng)扇揚(yáng)塵較大，與仿真分析相符。

3.3 風(fēng)扇葉尖圓周速度

風(fēng)扇葉尖圓周速度應(yīng)控制在71 m/s以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)噪聲與圓周速度的10次方成正比，渦流噪聲與圓周速度的6次方成正比[4]，能使風(fēng)扇保持安靜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的圓周速度≤71 m/s.

3.4 風(fēng)扇形狀選擇

風(fēng)扇形狀一般分為開口風(fēng)扇和環(huán)形風(fēng)扇，開口風(fēng)扇模具統(tǒng)一，可通過切割，形成同型號(hào)不同直徑系列風(fēng)扇，應(yīng)用更廣泛。環(huán)形風(fēng)扇模具單一，同型號(hào)只能采用同一直徑，應(yīng)用較單一。環(huán)形風(fēng)扇由于環(huán)形輪轂結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，噪聲相對(duì)較小，但環(huán)形風(fēng)扇由于外環(huán)存在，厚度厚且外環(huán)強(qiáng)制導(dǎo)流作用，風(fēng)向不易擴(kuò)散，整車布置空間狹小或有回風(fēng)時(shí)，應(yīng)盡量采用開口風(fēng)扇，見圖4.

圖4 環(huán)形風(fēng)扇與開口風(fēng)扇在狹小空間內(nèi)應(yīng)用流場(chǎng)對(duì)比分析

4 空間布置要求

商用車?yán)鋮s系統(tǒng)空間布置首先需考慮整車布置需求，同時(shí)需滿足駕駛室、車架、離地間隙要求等邊界條件，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，利用CFD分析手段，可進(jìn)一步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)布置，提升散熱性能。

4.1 風(fēng)扇后端面與發(fā)動(dòng)機(jī)距離要求

風(fēng)扇后端面與發(fā)動(dòng)機(jī)需預(yù)留一定間隙，從風(fēng)扇選裝防止干涉角度，此間隙需≥20 mm，經(jīng)CFD分析，理論風(fēng)扇距離發(fā)動(dòng)機(jī)越遠(yuǎn)越好，在特定的空間內(nèi)風(fēng)扇有個(gè)最佳的安裝位置，但風(fēng)扇軸強(qiáng)度要滿足匹配要求。因此，結(jié)合理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，建議風(fēng)扇后端面與發(fā)動(dòng)機(jī)距離L≥40 mm.

從5圖中可看出，風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)距離小，氣流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)反彈，造成熱風(fēng)回流及揚(yáng)塵，加大間隙后，氣流反彈現(xiàn)象基本消失，散熱能力大幅提升。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在個(gè)別車型上，散熱能力可提升7度以上。

圖5 風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)距離變動(dòng)對(duì)比分析

4.2 風(fēng)扇安裝高度

風(fēng)扇安裝高度受整車布置的影響很大，在滿足邊界條件的前提下，風(fēng)扇應(yīng)盡量對(duì)中布置，保證風(fēng)扇投影面位于散熱器中心。下圖為某商用車?yán)鋮s系統(tǒng)布置，由于整車布置原因，風(fēng)扇位于散熱器上方，偏心布置，經(jīng)CFD仿真分析，風(fēng)扇投影面超出散熱芯，葉端處有部分被護(hù)風(fēng)罩遮擋，系統(tǒng)阻力變大，風(fēng)量變小。風(fēng)扇偏心布置引起空氣動(dòng)力性能的損失，造成風(fēng)速分布不均導(dǎo)致散熱效率下降。

4.3 散熱器與駕駛室間隙加隔板防止回風(fēng)

散熱器與駕駛室由于存在相當(dāng)運(yùn)動(dòng)，布置時(shí)需預(yù)留足夠間隙，防止運(yùn)動(dòng)干涉。風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，散熱器后部熱風(fēng)可通過此間隙串回散熱器前部，導(dǎo)致熱風(fēng)回流，嚴(yán)重影響散熱效率。通過在散熱器上增加軟質(zhì)隔板，可有效解決此問題。經(jīng)CFD仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，通過此方法可提升散熱能力4℃以上，具體如圖6所示。

圖6 某商用車散熱器增加隔板前后仿真分析

從上圖中可看出，散熱器未增加隔板前，散熱器頂部存在明顯的熱風(fēng)回流現(xiàn)象，增加后，回風(fēng)消失。

5 結(jié)束語

冷卻系統(tǒng)作為整車關(guān)鍵系統(tǒng)，既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，也要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。本文探討了基于CFD流程分析手段，在冷卻系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)選型分析，冷卻系統(tǒng)布置方面應(yīng)注意的一些要求，通過冷卻匹配試驗(yàn)在多個(gè)車型上進(jìn)行效果驗(yàn)證，確定有效，在商用車?yán)鋮s系統(tǒng)開發(fā)中具體借鑒意義。

[1]劉紀(jì)福.翅片管換熱器的原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[2]昌澤舟.軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]蘇曉芳，楊林強(qiáng)，陳圓明，等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的降噪研究與優(yōu)化[J].汽車技術(shù)，2011（09）：04.

[4]禹華謙.工程流體力學(xué)（水力學(xué)）[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

Design of Commercial Vehicle Cooling System Based On CFD Flow Field Analysis

ZHANG You-yuan
（Dongfeng Liuzhou Mortor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China）

Based on the engineering practice experience ，this paper provides theoretical basis for layout analysis of cooling system and component selection analysis of cooling system by means of CFD flow field analysis method，and verifies by the performance matching experiment of cooling system.Experiments have proved that this method can simulate the actual working state of cooling system，the selecting and design of components ，and guide the development and design of cooling system，so as to shorten the product development cycle.

CFD；Cooling system；Engine；Heat-sinking capability

U464.138

A

1672-545X（2017）08-0124-04

2017-05-30

張佑源（1986-），男，湖南新化人，本科，助理工程師，研究方向：冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)開發(fā)。