王露陽(yáng), 王良模, 鄒小俊, 謝桃新, 張湯赟

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 南京依維柯汽車有限公司, 江蘇 南京 210028)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置有進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、復(fù)雜的管路線束和發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫?zé)嵩?艙內(nèi)復(fù)雜的元件布置導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱困難.發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過高會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起自燃.近年來(lái),隨著人們對(duì)汽車動(dòng)力性、舒適性以及安全性的要求越來(lái)越高,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的元件布置也越來(lái)越緊湊[1],這給發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn),因此發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題在新車型開發(fā)過程中越來(lái)越被關(guān)注.

文獻(xiàn)[2]通過試驗(yàn)方法測(cè)量了不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各個(gè)冷卻部件的對(duì)流換熱情況和輻射的通量,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱情況.文獻(xiàn)[3]運(yùn)用CFD方法通過耦合發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路和空調(diào)回路研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙整體傳熱過程和散熱情況.國(guó)內(nèi)的研究者主要通過內(nèi)外流耦合的方法得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布.文獻(xiàn)[4-5]分別對(duì)忽略輻射與考慮輻射2種情況進(jìn)行了分析對(duì)比. 文獻(xiàn)[6]通過三維與一維聯(lián)合仿真的方法對(duì)后置式發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱問題進(jìn)行了研究.

筆者針對(duì)某商用車的原型車在怠速工況下暴露出的發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度偏高的問題,運(yùn)用STAR-CCM+軟件進(jìn)行三維仿真,得到怠速工況下的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布情況,分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)是否存在熱回流、滯留現(xiàn)象以及高溫?zé)釗p害區(qū)域,找出產(chǎn)生熱回流和高溫區(qū)域的原因.根據(jù)具體原因提出改進(jìn)方案,為樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置提供參考依據(jù).

1 模型建立與數(shù)值計(jì)算

1.1 換熱器模型

散熱器、冷凝器、中冷器的內(nèi)部都是復(fù)雜細(xì)密的翅片結(jié)構(gòu),要真實(shí)地捕捉其內(nèi)部流動(dòng)需要很小的網(wǎng)格尺寸,這將大大降低計(jì)算效率,也不符合工程應(yīng)用的實(shí)際情況.熱交換器在計(jì)算時(shí)只是用來(lái)模擬空氣流過內(nèi)部被加熱的過程,而對(duì)于冷凝器和散熱器則忽略內(nèi)部冷卻液流動(dòng)及溫度下降對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,只考慮單一流體(空氣)對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響.3種換熱器本身的結(jié)構(gòu)特性決定了冷卻空氣流過內(nèi)部時(shí)會(huì)有一定的速度衰減和壓力損失,從它們對(duì)速度場(chǎng)的影響的角度簡(jiǎn)化為具有一定阻尼和厚度的多孔介質(zhì)薄膜;從它對(duì)溫度場(chǎng)影響的角度將熱交換器簡(jiǎn)單地看作是單一流體換熱器,賦予一定的散熱量.

多孔介質(zhì)模型的壓降損失遵循Darcy定律[7]:

(1)

式中:Δp為壓降;ΔL為多孔介質(zhì)薄膜厚度;δi慣性阻尼系數(shù);δj為黏性阻尼系數(shù);va為空氣流速.

由散熱器、冷凝器、中冷器氣側(cè)的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過多項(xiàng)式擬合得到三者在流動(dòng)方向上的δi和δj這2個(gè)系數(shù)來(lái)表征空氣通過多孔介質(zhì)模型的壓力損失與阻尼作用.冷卻模塊氣側(cè)的流速與壓降的關(guān)系如圖1所示.

圖1 冷卻部件迎面流速與壓降的關(guān)系

1.2 風(fēng)扇模型

計(jì)算流體力學(xué)中模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的方法主要有3種,即旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系法(moving reference frame,MRF)、滑移網(wǎng)格法(rigid body)和風(fēng)扇動(dòng)量源法(fan momentum source).文中采用MRF法來(lái)模擬冷卻風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),MRF法的核心思想是將旋轉(zhuǎn)區(qū)域單獨(dú)分割開來(lái)設(shè)定局部坐標(biāo)系,計(jì)算時(shí)網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動(dòng)而是通過旋轉(zhuǎn)局部坐標(biāo)系產(chǎn)生離心力和哥氏作用力從而達(dá)到風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的效果.在MRF模型中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與絕對(duì)坐標(biāo)系之間的速度關(guān)系[5]為

v=vr+ω×s,

(2)

式中:v為絕對(duì)速度矢量;vr為相對(duì)速度矢量;ω為旋轉(zhuǎn)角速度矢量;s為相對(duì)矢量位置.

在保證工程計(jì)算精度的條件下,MRF法與其他2種方法相比具有簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)勢(shì).不同工況下只需設(shè)定參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度和方向就可以模擬風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)效應(yīng).

1.3 網(wǎng)格劃分

研究的重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)與溫度分布情況,因此,取車頭部分為計(jì)算模型.機(jī)艙內(nèi)的零件布置非常復(fù)雜,須對(duì)艙內(nèi)部件做適當(dāng)簡(jiǎn)化[8],忽略直徑較小的管線,去除不重要的特征.簡(jiǎn)化后的機(jī)艙模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件、變速器、冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇、蓄電池、進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)氣格柵、保險(xiǎn)杠和輪胎等.

由于采用了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流耦合計(jì)算的方法,為真實(shí)地模擬汽車在實(shí)際道路上行駛時(shí)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)情況,需要添加外部計(jì)算域來(lái)模擬實(shí)際的外部環(huán)境.計(jì)算域采用規(guī)則的長(zhǎng)方體,車前取4倍車長(zhǎng),車后取8倍車長(zhǎng),寬取5倍車寬,高取4倍車高.考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,同時(shí)為了提高計(jì)算效率、節(jié)省計(jì)算時(shí)間,對(duì)流動(dòng)的重點(diǎn)區(qū)域,如進(jìn)氣格柵、冷卻模塊等部位進(jìn)行局部加密,近壁面區(qū)域采用細(xì)密的網(wǎng)格以適用壁面函數(shù)來(lái)描述近壁面的流動(dòng)情況,故在近壁面生成3層共3 mm的邊界層網(wǎng)格,對(duì)其他區(qū)域則采用較大的網(wǎng)格尺寸.在空間區(qū)域生成trimmed六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,體網(wǎng)格數(shù)量約1 100萬(wàn)個(gè),發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分體網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分體網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定關(guān)系到整個(gè)流場(chǎng)能否收斂,是CFD分析中十分重要的一部分.發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱流場(chǎng)主要由空氣流動(dòng)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱源進(jìn)行對(duì)流換熱產(chǎn)生,因此計(jì)算中主要運(yùn)用了流動(dòng)邊界和熱邊界2種邊界條件,這2種邊界條件包括流動(dòng)變量和熱變量在邊界處的值.

1.4.1 流動(dòng)邊界條件

計(jì)算中主要采用速度入口、壓力出口和壁面3種流動(dòng)邊界條件,分別用于定義計(jì)算域的入口、出口和速度為0的邊界[9].計(jì)算域的速度進(jìn)口描述發(fā)動(dòng)機(jī)前端來(lái)流方向上的空氣流動(dòng),流動(dòng)的速度設(shè)定為每個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的車速.由于流量守恒,因此將計(jì)算域的出口設(shè)置為壓力出口,其值為相對(duì)于大氣壓的靜壓值.地面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件,以模擬氣流與地面的摩擦作用,其他車身表面采用壁面邊界條件.

1.4.2 熱邊界條件

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,主要采用體積熱源、溫度壁面和熱對(duì)流3種換熱邊界.計(jì)算中將前端冷卻模塊的3種換熱器簡(jiǎn)化為具有一定阻尼的體積熱源,賦予其一定的散熱量.另外,發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)燃料燃燒產(chǎn)生大量的熱量是形成機(jī)艙內(nèi)熱環(huán)境的另一重要原因,這些熱源的溫度輻射也必須重點(diǎn)考慮.發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等發(fā)熱體采用溫度壁面的邊界條件,試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器不同區(qū)域的溫度值作為邊界輸入.

1.5 數(shù)值計(jì)算

該車的日常行駛車速都在100 km·h-1以下,空氣流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙后經(jīng)過各部件的阻礙作用,其流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲音的傳播速度,空氣在流動(dòng)過程中密度幾乎不變,所以在計(jì)算時(shí)可以把空氣當(dāng)作不可壓縮流體處理[10].由于機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部件眾多,空氣在流動(dòng)中容易形成大量的渦流,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程湍流模型,流場(chǎng)計(jì)算采用分離式的壓力修正法進(jìn)行迭代計(jì)算.另外,發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器等發(fā)熱部件的熱輻射也是形成機(jī)艙熱環(huán)境的重要原因,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的結(jié)論,忽略輻射作用會(huì)過高預(yù)測(cè)前端熱空氣的溫度,所以在進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)考慮這些高溫?zé)嵩吹妮椛渥饔?

2 怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙的分析

在怠速工況下,外界的空氣流速接近于0,周圍的環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃,因此該工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)主要由散熱器后方的曲軸風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸作用而引發(fā),機(jī)艙內(nèi)大部分區(qū)域的流場(chǎng)速度較低,此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析該工況下是否存在熱滯留和熱回流現(xiàn)象.為了更加直觀分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況,選取汽車縱向?qū)ΨQ截面y=0 m和分別經(jīng)過冷卻模塊、動(dòng)力總成中部的z=0.3 m這2個(gè)截面進(jìn)行分析.

怠速工況時(shí),y=0 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖如圖3所示，外界冷卻空氣在風(fēng)扇的抽吸作用下主要經(jīng)過前端中部的2個(gè)進(jìn)氣格柵進(jìn)入機(jī)艙內(nèi),上部分氣流經(jīng)中冷器、散熱器整流后再經(jīng)過冷卻風(fēng)扇的加速作用將加熱后的熱空氣吹向發(fā)動(dòng)機(jī)上半部分,在風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的區(qū)域形成了較強(qiáng)的渦流,造成了該區(qū)域熱量集中的現(xiàn)象,溫度相比其他區(qū)域也高一點(diǎn);由于從風(fēng)扇出口吹出去的氣流主要沿著發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)壁面向下運(yùn)動(dòng),而流向發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的氣流量較小,造成發(fā)動(dòng)機(jī)頂端與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下方區(qū)域的空氣在此處滯留,發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫輻射對(duì)滯留的氣流持續(xù)加熱,因而這部分區(qū)域溫度也較高.

圖3 怠速工況時(shí),y=0 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖

中下部分的氣流則經(jīng)過冷凝器、散熱器冷卻風(fēng)扇,將熱空氣吹向發(fā)動(dòng)機(jī)缸體部分,該部分熱氣流在經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壁面的撞擊后沿著壁面向下流動(dòng),熱氣流比較密集,表現(xiàn)為局部的熱量堆積.此外,在散熱器出風(fēng)口與風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩下部區(qū)域之間也存在渦流現(xiàn)象,造成了冷凝器下端出現(xiàn)了高溫?zé)岷?最高溫度達(dá)到了120 ℃左右,嚴(yán)重影響了冷凝器的散熱性能,這與原型車在怠速工況下暴露出來(lái)的問題相符合.熱空氣的回流加上散熱器的熱輻射是造成冷凝器下端高溫出現(xiàn)的主要原因.風(fēng)扇中間區(qū)域由于該部分氣流流速明顯高于周圍氣流的流速,這部分氣流帶走了大部分前端冷卻模塊散發(fā)的熱量,相應(yīng)地,該部分的溫度也高一些.

從圖3b可以看出,y=0 m對(duì)稱截面的溫度分布云圖顯示前保險(xiǎn)杠內(nèi)的溫度明顯高于其周圍環(huán)境溫度,說(shuō)明在前保險(xiǎn)杠內(nèi)這塊區(qū)域出現(xiàn)了熱量聚集的現(xiàn)象.

怠速工況時(shí),z=0.3 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖如圖4所示.從圖4a可以看出:冷卻空氣經(jīng)過風(fēng)扇之后向發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)的擴(kuò)散呈不對(duì)稱分布,發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)的氣流速度高于左側(cè)區(qū)域的氣流速度,因此左側(cè)區(qū)域的溫度也低于右側(cè)區(qū)域的溫度;經(jīng)過風(fēng)扇加速后的熱氣流被吹向發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)壁面,部分氣流受到發(fā)動(dòng)機(jī)壁面撞擊后又回流到前端冷卻模塊的左側(cè)造成了二次加熱,因此冷卻模塊左側(cè)區(qū)域的溫度要明顯高于右側(cè)區(qū)域,并在冷凝器的左端形成了高溫?zé)岷?

圖4 怠速工況時(shí),z=0.3 m截面上的速度矢量和溫度分布云圖

3 改進(jìn)方案及方案驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊周圍存在嚴(yán)重的渦流、回流以及高溫輻射現(xiàn)象,機(jī)艙整體環(huán)境溫度偏高.為改善發(fā)動(dòng)機(jī)前端冷卻模塊的散熱效果,對(duì)原型車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn): ① 在冷凝器和散熱器下端增加導(dǎo)流板,提高下方進(jìn)風(fēng)面的進(jìn)氣量同時(shí)減少冷凝器下方的熱空氣回流; ② 散熱器左側(cè)增加阻流板,防止被發(fā)動(dòng)機(jī)壁面撞擊的氣流回流到散熱器和冷凝器左側(cè).

按照相同的參數(shù)設(shè)置計(jì)算條件,重新計(jì)算分析結(jié)構(gòu)改動(dòng)對(duì)冷卻模塊散熱產(chǎn)生的影響.計(jì)算結(jié)果表明單獨(dú)采用任何一種方法對(duì)改善散熱效果比較有限.綜合考慮成本和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空間布局等條件,采取2種方法相結(jié)合的改進(jìn)方案:在散熱器和冷凝器左右兩側(cè)增加阻流板,同時(shí)在冷凝器下部增加導(dǎo)流板.導(dǎo)流板的作用一方面阻擋從冷凝器下端回流到前方的熱空氣,另一方面用來(lái)增加冷凝器和散熱器的進(jìn)氣量,改善其散熱效果.

3.2 改進(jìn)方案驗(yàn)證

改進(jìn)設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比如圖5所示.由于其他工況下機(jī)艙整體熱環(huán)境較好,故以下的方案驗(yàn)證只針對(duì)問題較為嚴(yán)重的怠速工況,通過分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的艙內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)方案對(duì)怠速工況下機(jī)艙散熱性能的影響,得到的速度與溫度分布分別如圖6,7所示.

圖5 方案對(duì)比

圖6 改進(jìn)方案,怠速工況時(shí),y=0 m截面

圖7 改進(jìn)方案,怠速工況時(shí),z=0.3 m截面

從圖6,7可以看出: 在冷卻模塊下端增加導(dǎo)流板以及側(cè)邊增加阻流板以后,有效阻止了被加熱的空氣再次回流到冷卻模塊的下方和側(cè)邊,消除了冷凝器左端的高溫?zé)岷ΜF(xiàn)象.對(duì)比分析圖3,4,6,7的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，冷卻模塊的高溫區(qū)域的面積明顯縮小,溫度下降也比較明顯,說(shuō)明導(dǎo)流板的作用很明顯.從冷卻模塊的進(jìn)出氣面的溫度及進(jìn)氣流量的角度分析可知,增加阻流板與導(dǎo)流板對(duì)改善冷凝器和散熱器的散熱特性效果十分明顯.怠速工況下2種方案的散熱特性比較如表1所示,冷凝器的進(jìn)出氣面溫度分別下降了14.1,16.2 ℃,下降幅度分別為20.9%,17.1%.散熱器的進(jìn)出氣面溫度則分別下降了12.1,13.0 ℃,下降幅度分別為14.5%,13.8%.改進(jìn)結(jié)構(gòu)在減少熱空氣回流到冷卻模塊前端的同時(shí)增加了外界冷卻空氣進(jìn)入冷卻模塊的流量.怠速工況下2種方案進(jìn)氣流量比較如表2所示,與原型車相比,增加阻流板和導(dǎo)流板后冷凝器、中冷器以及散熱器的進(jìn)氣量分別增加了8.7%,9.1%,10.4%.進(jìn)氣量增加意味著冷卻空氣可以帶走更多的熱量,所以冷卻模塊的散熱功率也會(huì)相應(yīng)增加,可以有效改善冷卻模塊的散熱性能以及機(jī)艙整體散熱環(huán)境.

表1 怠速工況下2種方案的散熱特性比較

表2 怠速工況下2種方案進(jìn)氣流量比較

4 結(jié) 論

怠速工況下機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)主要由風(fēng)扇的抽吸作用而引發(fā),此時(shí)熱空氣回流并對(duì)冷卻模塊進(jìn)行循環(huán)加熱是造成該工況下發(fā)動(dòng)艙溫度偏高的主要原因；在冷卻模塊側(cè)邊增加阻流板可以有效阻斷熱空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)壁面回流到冷卻模塊左端,避免了熱空氣對(duì)其循環(huán)加熱,從而解決了發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度偏高的問題；冷卻模塊下端的導(dǎo)流板一方面起到了阻斷從保險(xiǎn)杠下部回流到冷凝器前端的熱空氣,另一方面起到了增加冷凝器與散熱器進(jìn)氣量的作用,改善了兩者的散熱性能.