劉傳波，楊 宇，莫易敏，王 偉

（1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

隨著汽車(chē)綜合性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、空調(diào)以及液壓設(shè)備等的散熱負(fù)荷也越來(lái)越高，汽車(chē)前艙內(nèi)的布置也越來(lái)越緊湊，對(duì)汽車(chē)前艙散熱性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。

目前，采用CFD技術(shù)并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)汽車(chē)前艙的散熱問(wèn)題進(jìn)行研究的現(xiàn)象越來(lái)越普遍。汽車(chē)?yán)鋮s模塊傳統(tǒng)布置方式是風(fēng)扇放置于冷凝器和散熱器后面的CRFM布置，文獻(xiàn)[1-3]提出了將風(fēng)扇放置于冷凝器和散熱器之間的CFRM布置概念，并研究指出，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相同時(shí)，CFRM前艙溫度相比于CRFM布置要低10℃以上，冷凝器和散熱器的空氣質(zhì)量流率也更大。文獻(xiàn)[4]以載貨汽車(chē)為研究對(duì)象進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增大風(fēng)扇與散熱器之間的間距時(shí)，散熱器進(jìn)風(fēng)量也會(huì)增大，前艙的散熱性能也就越好。

針對(duì)某MPV汽車(chē)在冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程中，存在發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升以及風(fēng)扇和水泵電控化以后，出現(xiàn)水溫過(guò)高的問(wèn)題，采用三維CFD數(shù)值分析的方法[5]，對(duì)高速工況下冷卻模塊在CRFM和CFRM這兩種布置下的前艙散熱性能進(jìn)行了綜合比較分析，并研究了CRFM的布置方式下，冷卻風(fēng)扇與散熱器間的距離變化對(duì)該車(chē)型前艙散熱性能的影響。

2 有限元模型的建立

本次計(jì)算采用CFD數(shù)值分析的方法對(duì)該車(chē)型在高速工況下的散熱特性進(jìn)行研究，整個(gè)仿真運(yùn)算遵循質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒及能量守恒[6]。由于計(jì)算中采用了多重參考坐標(biāo)系，若采用Realizable k-ε模型會(huì)產(chǎn)生非物理湍流粘性，所以本次計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并采用SIMPLE算法來(lái)求解速度與壓力的耦合，所有的仿真迭代結(jié)果均收斂。

2.1 整車(chē)模型

首先需要對(duì)整車(chē)及其所處的計(jì)算域建立有限元模型。由于實(shí)車(chē)模型過(guò)于復(fù)雜，為了減少計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量，節(jié)約數(shù)值計(jì)算的時(shí)間和成本，在盡可能反映模型特征細(xì)節(jié)及精度的前提下，需要對(duì)模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化處理[7]，比如去除螺栓，省掉一些直徑很小的管道等。由于本次計(jì)算的數(shù)值分析只涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)以及整車(chē)外流場(chǎng)的耦合計(jì)算，所以將駕駛艙內(nèi)的內(nèi)飾部分全部省略掉，并將汽車(chē)駕駛艙完全密封，避免空氣滲入對(duì)計(jì)算結(jié)果造成干擾。

2.2 計(jì)算域的選擇

在模擬汽車(chē)前艙的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)時(shí)，需要建立一個(gè)模擬風(fēng)洞來(lái)作為計(jì)算域，將汽車(chē)置于風(fēng)洞中做數(shù)值分析。該車(chē)型基本尺寸數(shù)據(jù)為長(zhǎng)4710mm，寬1785mm，高1745mm。風(fēng)洞尺寸根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，如圖1所示。另外，氣流在接觸車(chē)輛前主要呈現(xiàn)層流狀態(tài)。當(dāng)靠近車(chē)頭位置時(shí)，氣流發(fā)生分離。車(chē)頭前部空間流場(chǎng)狀況相對(duì)單一，而車(chē)尾部流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜，所以需要在車(chē)身周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密。整車(chē)模型和計(jì)算域，如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞尺寸簡(jiǎn)圖Fig.1 The Diagram of the Size of the Wind Tunnel

圖2 整車(chē)模型和計(jì)算域Fig.2 The Model of the Vehicle and the Computational Domain

2.3 冷卻組件模型

2.3.1 換熱器多孔介質(zhì)模型

由于冷凝器和散熱器都屬于換熱器，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算時(shí)將采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬冷凝器和散熱器，通過(guò)給定慣性阻尼和粘性阻尼來(lái)模擬氣流在其內(nèi)部流動(dòng)的壓降[8]。

在簡(jiǎn)單、均勻的多孔介質(zhì)上，可以使用多孔介質(zhì)的Darcy定律：

式中：Δp—換熱器空氣側(cè)壓降；L—換熱器厚度；μ—試驗(yàn)條件下的空氣粘度；α—多孔介質(zhì)的滲透性，1/α即為黏性阻力系數(shù)；C2—慣性阻力系數(shù)。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)上述公式，通過(guò)插值擬合的方式分別求出冷凝器和散熱器的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)。冷凝器和散熱器擬合的阻抗曲線圖，如圖3所示。

圖3 換熱器阻抗曲線圖Fig.3 The Impedance Curve of Heat Exchanger

2.3.2 風(fēng)扇MRF模型

目前，對(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域的計(jì)算仿真主要有滑移網(wǎng)格法和多重參考坐標(biāo)系（MRF）法[9]。其中，多重參考坐標(biāo)系法是一種定常的近似求解方法，可以節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間和資源，更適用于汽車(chē)前端進(jìn)氣的數(shù)值模擬。另一方面，由于本次計(jì)算中對(duì)CRFM和CFRM兩種冷卻模塊的布置方式進(jìn)行了對(duì)比，而多重參考坐標(biāo)系法可以消除這兩種布置下采用相同的風(fēng)扇特性曲線造成的不妥的問(wèn)題。綜上兩點(diǎn)，本次計(jì)算采用多重參考坐標(biāo)系法。

2.4 邊界條件

采用模擬風(fēng)洞的方法對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)與前艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，其邊界條件的設(shè)定應(yīng)根據(jù)內(nèi)外流場(chǎng)各自的特點(diǎn)而分為兩種情況：外部邊界條件和內(nèi)部邊界條件。

對(duì)于外部流動(dòng)，其邊界條件包括：風(fēng)洞速度入口邊界條件、風(fēng)洞壓力出口邊界條件和壁面邊界條件。車(chē)底底部地面部分設(shè)置成和風(fēng)洞入口一樣的速度，從而減少地面效應(yīng)的影響。對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，其中包含冷凝器、散熱器、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)等主要部件。需要?dú)饬髁魍ǖ睦鋮s組件的進(jìn)出口面均設(shè)置為interior模式，其余部件均滿足壁面邊界條件。

本次計(jì)算選定高速工況為計(jì)算工況。汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2680r/m，環(huán)境溫度為30℃，速度入口風(fēng)速為117km/h。冷凝器的能量源項(xiàng)為2472kW/m3，散熱器散熱量為36.9kW。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 CRFM和CFRM布置方式的比較分析

為了嚴(yán)格對(duì)比CRFM和CFRM這兩種不同的布置方式對(duì)汽車(chē)前艙散熱性能的影響，只是將風(fēng)扇和散熱器的位置進(jìn)行了互換，并未改變它們彼此與其它部件之間的的距離，其他組件完全相同，具體布置方式，如圖4所示。

圖4 CRFM和CFRM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The Structure Schematic Diagrams of CRFM and CFRM

CRFM和CFRM兩種布置方式下散熱組件的進(jìn)風(fēng)量對(duì)比圖，如圖5所示。其中，總進(jìn)風(fēng)量等于冷凝器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量之和。由圖5可知，相比于原車(chē)所采用的CRFM布置方式，CFRM布置方式下的冷凝器進(jìn)風(fēng)量明顯增大，但其散熱器的進(jìn)風(fēng)量有一定程度的下降，總體而言，散熱器和冷凝器的總進(jìn)風(fēng)量相差不是特別大。一方面這是因?yàn)樵贑FRM布置下，風(fēng)扇放置在冷凝器和散熱器之間，風(fēng)扇對(duì)空氣的抽吸作用直接作用在冷凝器上，而不必經(jīng)過(guò)散熱器的阻擋作用，所以CFRM布置方式下冷凝器的進(jìn)風(fēng)量有所增大；另一方面，在CRFM布置方式下，通過(guò)散熱器的氣流主要分為兩部分，一部分是經(jīng)過(guò)冷凝器加熱的氣體，另一部分則來(lái)自于經(jīng)過(guò)冷凝器與散熱器之間的間隙滲入的氣體。而在CFRM布置方式下，由于風(fēng)扇對(duì)散熱器的抽吸作用大幅減弱，改為對(duì)散熱器進(jìn)行吹風(fēng)，導(dǎo)致流經(jīng)散熱器的氣體幾乎全部來(lái)自于經(jīng)過(guò)冷凝器加熱的氣體，散熱器的進(jìn)風(fēng)量減少，使得散熱器的散熱性能減弱。

圖5 兩種布置方式下散熱組件進(jìn)風(fēng)量對(duì)比圖Fig.5 The Air Flow Rate of Heat Sink Under Two Kinds of Arrangement

為了分析方便，分別選取了包含三元催化器、排氣管和電池等關(guān)鍵部件在內(nèi)的兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙截面：Y截面（Y=50mm）和Z截面（Z=700mm）。CRFM和CFRM這兩種布置方式下Y、Z兩個(gè)截面的前艙溫度分布圖，如圖6所示。

圖6 不同布置方式下的溫度分布Fig.6 The Temperature Distribution in Different Arrangements

從圖6可以看出，雖然在CFRM布置方式下，汽車(chē)前艙平均溫度要略微低于CRFM布局，但是，CFRM布置下起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)附近存在局部高溫，這可能會(huì)導(dǎo)致部分部件無(wú)法正常工作，而CRFM布置方式下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度分布更加均勻。也就是說(shuō)，在CFRM布局方式下，散熱器附近的高溫氣體并不能很好地隨氣流從艙內(nèi)散發(fā)出去。這也說(shuō)明，氣體流量大小并不是決定艙內(nèi)溫度分布的唯一因素，氣體流動(dòng)的軌跡、方向同樣起著重要的作用。

3.2 風(fēng)扇與散熱器之間間距的影響分析

在分析風(fēng)扇與散熱器之間的間距對(duì)散熱性能的影響時(shí)，保持散熱器和冷凝器位置固定不變，風(fēng)扇和風(fēng)扇罩一起向后移動(dòng)10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，如圖7所示。即距離A做相應(yīng)的改變。對(duì)比分析了高速工況下這幾種間距布置對(duì)汽車(chē)前艙散熱性能的影響。不同距離A下冷卻部件的進(jìn)風(fēng)量，如表1所示。

圖7 冷卻部件位置布置圖Fig.7 The Arrangement of Cooling Components

表1 不同距離A下的冷卻部件進(jìn)風(fēng)量對(duì)比（風(fēng)量：kg/s）Tab.1 The Air Flow Rate Comparison of Cooling Components in Different Distance A（Air flow Rate：kg/s）

在一定范圍內(nèi)，隨著冷卻風(fēng)扇與散熱器之間距離的增大，冷凝器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量均存在一定程度的提高，而風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)量相對(duì)而言變化不明顯，如表1所示。一方面是因?yàn)槔淠?、散熱器與風(fēng)扇面積相對(duì)，當(dāng)距離增大以后，氣流以更加均勻的姿態(tài)通過(guò)換熱器；另一方面，當(dāng)散熱器與風(fēng)扇之間的距離增大以后，它們之間的空氣溫度降低，空氣密度增大，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)換熱器的空氣質(zhì)量更大。

當(dāng)距離A增大至40mm以后，進(jìn)一步增大A的距離時(shí)，冷凝器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量有下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)扇后端與發(fā)動(dòng)機(jī)距離過(guò)小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的阻塞效應(yīng)，產(chǎn)生氣體回流現(xiàn)象，反向壓制氣流通過(guò)換熱器，從而導(dǎo)致其進(jìn)風(fēng)量降低。對(duì)于該車(chē)型而言，在原車(chē)基礎(chǔ)上，散熱器與風(fēng)扇之間再增大40mm左右的距離最有利于提升整車(chē)的散熱性能。

由于該車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局結(jié)構(gòu)的限制，散熱器和風(fēng)扇之間的距離最多也只能增加50mm，否則會(huì)導(dǎo)致前艙機(jī)構(gòu)產(chǎn)生干涉，因此不再考慮風(fēng)扇繼續(xù)后移的情況。

根據(jù)以上分析，可以認(rèn)為對(duì)于該車(chē)型而言，將風(fēng)扇后移40mm左右最有利于整車(chē)散熱性能的提升。將其作為改進(jìn)優(yōu)化方案在實(shí)車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)整車(chē)熱平衡實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果是否與實(shí)際情況相符。整個(gè)試驗(yàn)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)位于車(chē)頭前面的鼓風(fēng)機(jī)對(duì)試驗(yàn)車(chē)吹風(fēng)來(lái)模擬汽車(chē)真實(shí)行駛時(shí)的迎面風(fēng)流量。鼓風(fēng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，根據(jù)不同車(chē)速調(diào)整吹向試驗(yàn)車(chē)的風(fēng)速[10]。

通過(guò)使用風(fēng)速儀測(cè)量得到的冷凝器和散熱器的進(jìn)氣風(fēng)速，從而間接計(jì)算出通過(guò)它們的進(jìn)風(fēng)量。由于空間的限制，在冷凝器和散熱器前方上下各布置兩個(gè)風(fēng)速儀，取其所測(cè)風(fēng)速的平均值用于計(jì)算，以減小誤差。溫度傳感器與風(fēng)速儀的布置，如圖8所示。

圖8 傳感器的布置Fig.8 The Arrangement of Sensors

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

熱車(chē)5min以后，車(chē)輛以117km/h的速度行駛20min左右，待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度穩(wěn)定，車(chē)輛達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，讀取風(fēng)速儀的讀數(shù)數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2可知，冷凝器與散熱器的進(jìn)風(fēng)量仿真值與試驗(yàn)值誤差均在8%以內(nèi)，這主要是由于車(chē)輛模型存在一定程度的簡(jiǎn)化導(dǎo)致的，而8%以內(nèi)的誤差基本可以保證仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的正確性。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果規(guī)律一致，說(shuō)明將風(fēng)扇后移40mm的優(yōu)化方案是具有可行性的。

表2 進(jìn)風(fēng)量的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.2 The Air Flow Rate Comparison Between Simulation and Test Results

5 結(jié)論

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，采用數(shù)值模擬的方法，研究了冷卻模塊的布置對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的影響，結(jié)合數(shù)值仿真分析與試驗(yàn)的結(jié)果可以得出：

（1）風(fēng)扇放置在冷凝器和散熱器中間的CFRM布置方式相較于傳統(tǒng)的CRFM布置，會(huì)導(dǎo)致冷凝器進(jìn)風(fēng)量增加，但同時(shí)會(huì)減小散熱器的進(jìn)風(fēng)量，并導(dǎo)致前艙局部溫度過(guò)高，使得散熱情況更加惡劣。

（2）針對(duì)傳統(tǒng)的CRFM布置模式，風(fēng)扇與散熱器之間存在一個(gè)最優(yōu)距離。當(dāng)適當(dāng)增加風(fēng)扇與散熱器之間的距離時(shí)，有助于提高冷凝器及散熱器的進(jìn)風(fēng)效率，并提升冷卻部件的散熱效果；而當(dāng)超過(guò)最優(yōu)距離后，進(jìn)一步增大風(fēng)扇與散熱器之間的距離會(huì)導(dǎo)致散熱器的進(jìn)風(fēng)效率下降。

（3）由于時(shí)間的限制，還可以進(jìn)一步做更多的仿真計(jì)算找出散熱器與冷卻風(fēng)扇之間的最優(yōu)間距點(diǎn)。