施鵬飛，李飛，于劍澤

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

基于一、三維耦合的車(chē)輛熱管理研究與優(yōu)化

施鵬飛，李飛，于劍澤

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)及進(jìn)氣量對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，應(yīng)用一維、三維耦合分析方法對(duì)車(chē)輛在高溫環(huán)境下的爬坡工況進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)使用STAR CCM+軟件計(jì)算得到冷卻模塊通風(fēng)量，輸入AMEsim軟件計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液水溫，評(píng)價(jià)冷卻性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度未能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，主要原因是車(chē)輛冷卻模塊周?chē)忻黠@的氣流泄漏現(xiàn)象，通過(guò)添加冷卻導(dǎo)風(fēng)板和封堵部分進(jìn)氣格柵的方法使冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量有顯著的提升，高速爬坡工況下散熱器進(jìn)氣量提高13.8%，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液由125.3℃下降到118.5℃，通過(guò)優(yōu)化達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙；冷卻系統(tǒng)；冷流場(chǎng)；進(jìn)氣量

前言

在傳統(tǒng)汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)屬于車(chē)輛熱管理的一部分，一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工程評(píng)估的手段。但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜及試驗(yàn)手段的局限性，很難準(zhǔn)確的捕捉到機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)特性，而且試驗(yàn)手段在車(chē)輛開(kāi)發(fā)初期很難準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。仿真分析具有成本低、周期短、可更改性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要的手段。

國(guó)外對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的研究較早，V.Damodaran和S.Kaushik利用CFD分析軟件FLUENT對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性[1]。Norihiko Watanabe等利用一維和三維耦合仿真分析的方法，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流流動(dòng)情況和零部件之間的熱傳遞情況[2][3]。2009年Vivek Kumar等采用CFD和Flow Network Modeling相結(jié)合的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究分析，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了這種方法的可靠性和實(shí)用性[4]。沃爾沃公司利用 POWERFLOW 軟件對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)對(duì)冷卻零部件的優(yōu)化選型，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱性能得到顯著提升[5][6]。國(guó)內(nèi)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的研究技術(shù)也日漸成熟，2003年，齊斌利用軟件KULI建立了某款車(chē)輛的熱管理系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇風(fēng)量的仿真計(jì)算表明可控制風(fēng)量的風(fēng)扇對(duì)于降低冷卻系統(tǒng)功率消耗有明顯的作用[7]。成曉北應(yīng)用軟件Flowmaster分析了整個(gè)柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)熱平衡及循環(huán)過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，針對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。周建軍利用軟件Fluent對(duì)某款轎車(chē)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估了冷卻系統(tǒng)的性能[9]。趙永坡應(yīng)用CFD模擬分析了怠速工況下某款轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)情況，通過(guò)添加導(dǎo)流通道解決了冷卻模塊周?chē)嬖诘臍饬骰亓鲉?wèn)題[10]。

本文以某車(chē)型作為研究對(duì)象，建立了詳細(xì)的三維整車(chē)熱管理分析模型以及一維冷卻模型，利用一維與三維耦合的方法分析了機(jī)艙流場(chǎng)及機(jī)艙進(jìn)氣量對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)輛進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使冷卻性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 基本控制方程及湍流模型

1.1 基本控制方程

考慮到汽車(chē)機(jī)艙內(nèi)部的氣流速度角度且密度變化小，假設(shè)氣體為粘性定常不可而壓縮流體，基本控制方程為[11]：

連續(xù)方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量方程：

雷諾時(shí)均方程

用于描述寫(xiě)湍流的納維-斯托克斯方程很難應(yīng)用解析方法來(lái)進(jìn)行求解。因此，學(xué)者們主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)或者平均的方法來(lái)解決湍流問(wèn)題，雷諾時(shí)均方程作為主要解決湍流問(wèn)題的方法其連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

1.2 湍流模型

根據(jù)確定粘度方法的不同，湍流方程可以分為零方程模型、一方程模型、兩方程模型，其中常用到的模型是兩方程模型。基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，此外還有修正的RNGk-ε模型和 Realizablek-ε模型[12]。Realizablek-ε模型在邊界層及剪切流流動(dòng)中的適應(yīng)性較好，因此，本文選用Realizablek-ε模型。

2 仿真模型搭建

考慮車(chē)輛行駛的極限情況為車(chē)輛仿真計(jì)算的工況,即汽車(chē)爬坡的情況，環(huán)境溫度設(shè)定為38℃。確定計(jì)算工況后，使用三維整車(chē)仿真計(jì)算出一維所需要的計(jì)算邊界條件（格柵進(jìn)氣量、多孔芯體風(fēng)速等），再運(yùn)用一維仿真分析出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液水溫度，用以判斷是否滿足車(chē)輛的冷卻性能。

2.1 三維計(jì)算模型

2.1.1 網(wǎng)格劃分

本文基于某車(chē)型作為研究對(duì)象，建立整車(chē)全尺寸模型，網(wǎng)格劃分時(shí)，忽略少量小尺寸零部件。設(shè)車(chē)輛長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，流體域?yàn)檐?chē)前3L，車(chē)后6L，寬度為6W，高為6H。體網(wǎng)格劃分時(shí)，機(jī)艙內(nèi)部及車(chē)輛前端添加邊界層，并且在車(chē)頭和底盤(pán)添加網(wǎng)格局部加密區(qū)以提高計(jì)算精度。計(jì)算采用Trimmer網(wǎng)格，最終生成體網(wǎng)格數(shù)為43419981，機(jī)艙部分體網(wǎng)格Y=0mm剖面如圖1所示。

圖1 Y=0剖面體網(wǎng)格

2.1.2 邊界條件設(shè)定及參數(shù)設(shè)置

三維仿真分析計(jì)算的邊界條件如表1所示，控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，物理量選擇全隱式分離求解，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散格式為二階精度迎風(fēng)格式。

表1 邊界條件設(shè)定

2.2 一維計(jì)算模型

車(chē)輛冷卻系統(tǒng)中，常用到的換熱器包括、冷凝器、散熱器等等，主要熱源為發(fā)動(dòng)機(jī)本體，冷卻液為 50%乙二醇+50%水，本文基于自然吸氣動(dòng)力總成冷卻系統(tǒng)搭建了一維冷卻系統(tǒng)的模型，如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)示意圖

計(jì)算中采用的數(shù)據(jù)均由臺(tái)架試驗(yàn)獲得，邊界條件如表 2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速以及水泵轉(zhuǎn)速均采用當(dāng)前工況下扭矩和轉(zhuǎn)速。由于冷凝器不屬于冷卻系統(tǒng)，冷凝器的散熱量取當(dāng)前工況點(diǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的放熱量。

表2 邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

3.1 計(jì)算結(jié)果

汽車(chē)在行駛的過(guò)程中，機(jī)艙內(nèi)冷卻模塊的散熱主要是通過(guò)來(lái)自進(jìn)氣格柵和冷卻風(fēng)扇的氣流進(jìn)行熱交換，從而帶走零部件表面的熱量，來(lái)達(dá)到冷卻的目的。因此，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)分析能夠清晰的看清氣流的走向，進(jìn)而分析出當(dāng)前車(chē)輛結(jié)構(gòu)形式是否能夠滿足冷卻系統(tǒng)的需求。

圖3所示為高速爬坡工況下Y=0mm處的速度分布圖（速度顯示范圍0-10m/s），從圖3中可以看出，氣體通過(guò)進(jìn)氣格柵進(jìn)入艙內(nèi)后，部分氣流未經(jīng)過(guò)冷卻模塊，即冷卻模塊周?chē)忻黠@的氣流泄漏。

圖3 速度分布

當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式下散熱器和冷凝器的進(jìn)氣量如表2所示，根據(jù)三維計(jì)算出的進(jìn)氣量值代入一維模型中計(jì)算后，得到各工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫值如表3所示：

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫

從仿真計(jì)算的結(jié)果可以看出，在高速爬坡工況下冷卻液溫度不滿足要求。

一般在冷卻液溫度超過(guò)目標(biāo)值時(shí)，通?？梢圆捎锰砑訉?dǎo)風(fēng)板和密封、封堵部分進(jìn)氣格柵、增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速等方法來(lái)增加散熱器的進(jìn)氣量，從而達(dá)到降低冷卻液溫度的目的。本文僅從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來(lái)實(shí)施優(yōu)化。因此，在結(jié)構(gòu)上封堵了部分進(jìn)氣格柵并且添加了導(dǎo)風(fēng)板。

3.2 優(yōu)化分析計(jì)算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)及一維冷卻系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果可知，由于冷卻模塊周?chē)霈F(xiàn)明顯的氣流泄漏現(xiàn)象，針對(duì)這一問(wèn)題采用添加導(dǎo)風(fēng)板來(lái)增強(qiáng)冷卻模塊的進(jìn)氣量，進(jìn)而改善氣流的流動(dòng)，增加冷卻模塊的進(jìn)氣量，冷卻導(dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冷卻導(dǎo)風(fēng)板

此外，為了增加冷卻模塊的進(jìn)氣量，封堵了部分進(jìn)氣格柵，優(yōu)化后的進(jìn)氣格柵如圖5所示。

圖5 冷卻導(dǎo)風(fēng)板

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

圖6 速度分布

從圖6中可以看出，優(yōu)化后，在冷卻模塊周?chē)鷼饬髁魇У默F(xiàn)象得到明顯的改善。經(jīng)過(guò)冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量與優(yōu)化前相比有明顯的提升（如表4示）。高速爬坡工況下，散熱器進(jìn)風(fēng)量增加13.8%，冷凝器進(jìn)風(fēng)量增加11.3%；低速爬坡工況下，散熱器進(jìn)風(fēng)量增加 5.5%，冷凝器進(jìn)風(fēng)量增加 5.7%，計(jì)算結(jié)果表明本文所采用的優(yōu)化方法對(duì)提升冷卻模塊的進(jìn)氣量有明顯的作用。

表4 冷卻模塊進(jìn)氣量

將表4計(jì)算得到的冷卻模塊進(jìn)氣量重新代入一維仿真模型得到冷卻液溫度如表5所示，從優(yōu)化后一維仿真的結(jié)果可以看到，高速爬坡工況下冷卻液的溫度已經(jīng)滿足目標(biāo)要求，說(shuō)明針對(duì)此款車(chē)型，通過(guò)封堵部分格柵和添加冷卻導(dǎo)風(fēng)板是合理的，并且達(dá)到了降低冷卻液溫度的目的，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫

4 結(jié)論

本文通過(guò)一、三維的耦合計(jì)算模擬了某款車(chē)在極限工況下的冷卻系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣流流動(dòng)情況，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出合理有效的優(yōu)化方案，使該車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊和進(jìn)氣格柵的匹配更加合理，在車(chē)輛開(kāi)發(fā)初期為熱管理系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)和參考。

結(jié)果表明：

1）通過(guò)對(duì)三維冷流場(chǎng)的分析可知冷卻模塊周?chē)嬖诒容^大的氣流泄漏，得到了冷卻模塊的進(jìn)氣量；一維冷卻分析結(jié)果表明，在高速爬坡工況下冷卻液的溫度超過(guò)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，提出了增加冷卻導(dǎo)風(fēng)板及封堵部分進(jìn)氣格柵的優(yōu)化方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后車(chē)輛的冷卻模塊周?chē)孤┑臍饬髅黠@減少，高速爬坡工況下，散熱器的進(jìn)氣量能夠提高 13.8%，最后一維分析驗(yàn)證了優(yōu)化方案對(duì)冷卻液溫度的降低起到了明顯的作用，使其達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求。

[7] 齊斌.載重車(chē)熱管理系統(tǒng)仿真.

[8] 成曉北.潘立.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過(guò)程與匹配計(jì)算.

[9] 周建軍,楊坤.數(shù)值模擬在整車(chē)熱管理中的應(yīng)用.

[10] 趙永坡,劉鵬.發(fā)動(dòng)機(jī)艙過(guò)熱的仿真分析.

[11] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第 2版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:4-5.Tao Wenquan.Numerical Heat Transfer(2nded.) [M].Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2001:4-5. (in Chinese).

[12] 某新車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的研究與改進(jìn).

Research and Optimization of Vehicle Thermal Management by 1D-3D Coupling

Shi Pengfei, Li Fei, Yu Jianze
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

The influenceof underhood and the cooling airflow on the cooling systemairflow characteristic are researched by using the 1D/3D coupling method. By using STAR CCM+ software the airflow on the cooling system is got,and then input 3D result to AMEsim software to calculate the temperature of coolant to evaluate the cooling performance.The analysis shows that there has obvious air leakage around the cooling module and the temperature of engine coolant failed to reach the requirements of design. By adding an cooling air guides and closing partial grilles could increase theamount of airflow observably,the airflow of radiator increased by 13.8% under the high speed climbing, the temperature of engine coolant decrease from 125.3℃ to 118.5℃,which reach the requirements of design.

Underhood; Cooling System; Numerical Simulation; Amount of Air

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-47-04

U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-47-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.017

施鵬飛，就職于華晨汽車(chē)工程研究院。