陳健，劉俊紅，陳浩

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某皮卡冷卻系統(tǒng)優(yōu)化分析

陳健1，劉俊紅1，陳浩2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601； 2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300000）

為解決某皮卡車型水溫過(guò)熱問(wèn)題，使用流體一維分析軟件分析特定惡劣工況下冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)，計(jì)算在此工況下的冷卻系統(tǒng)極限溫度，對(duì)不滿足性能指標(biāo)要求的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)三維仿真與一維計(jì)算相結(jié)合的手段，對(duì)冷卻系統(tǒng)提出優(yōu)化方案，最后，在環(huán)境艙進(jìn)行了整車熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算精度。

冷卻系統(tǒng)；皮卡；三維耦合；優(yōu)化分析

前言

一維性能匹配，優(yōu)化前端冷卻模塊，使之能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求；三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真及優(yōu)化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真，獲得流量分配、流動(dòng)平順性、溫度分布等信息，評(píng)估艙內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)艙內(nèi)可能存在的熱害風(fēng)險(xiǎn)部件，并提出優(yōu)化意見(jiàn)。通過(guò)整車環(huán)境艙熱平衡試驗(yàn)以及空調(diào)相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)仿真計(jì)算的精度，以及最終的優(yōu)化效果，作為項(xiàng)目達(dá)成的重要依據(jù)[1-3]。

1 初始狀態(tài)分析

1.1 Mule車熱平衡試驗(yàn)

仿真分析工作開(kāi)始之前，完成Mule車的熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖遣杉嚓P(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也是對(duì)目前狀態(tài)的一次摸底。

表1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)共采集了112組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)狀態(tài)分別為電子風(fēng)扇和硅油風(fēng)扇，試驗(yàn)工況如表1，高速5檔130km/h和爬坡3檔8.7%坡60km/h。

試驗(yàn)結(jié)果，工況1，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫都能平衡，散熱器進(jìn)水溫度94.9℃，散熱器出水溫度86.4℃，發(fā)動(dòng)機(jī)油溫123.5℃；工況2，空調(diào)發(fā)生了切斷，取三個(gè)空調(diào)吸合階段的平均值，散熱器進(jìn)水105.5℃，散熱器出水95.6℃，發(fā)動(dòng)機(jī)油溫136.7℃；工況3，試驗(yàn)進(jìn)行10min后散熱器進(jìn)水溫度超標(biāo)，試驗(yàn)終止，未平衡；工況4，試驗(yàn)進(jìn)行6min后散熱器進(jìn)水溫度超標(biāo)，試驗(yàn)終止，未平衡。

通過(guò)Mule車的熱平衡試驗(yàn)得出，硅油風(fēng)扇在爬坡工況下水溫過(guò)高，空調(diào)切斷不合格，電子風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)散熱能力滿足不了要求。舍棄電子風(fēng)扇方案，后續(xù)工作中根據(jù)整車熱平衡數(shù)據(jù)，加載一維冷卻系統(tǒng)模型，針對(duì)硅油風(fēng)扇爬坡工況水溫過(guò)高提出滿足熱平衡要求的冷卻系統(tǒng)方案。

1.2 一維冷卻系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)車型冷卻模塊的實(shí)際布置情況，建立包含冷凝器、中冷器、散熱器和風(fēng)扇的一維熱管理模型，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算。針對(duì)整車熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，硅油風(fēng)扇爬坡工況水溫過(guò)高的情況，將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)方案，建立一維模型如圖1。

圖1 冷卻系統(tǒng)一維模型

計(jì)算工況：環(huán)境溫度35℃，滿載空調(diào)全開(kāi)，三檔56km/h，爬坡8.7%；環(huán)境溫度40℃，滿載空調(diào)全開(kāi)，最高檔，車速130km/h。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，同樣反應(yīng)出爬坡工況水溫過(guò)高，存在以下3點(diǎn)原因：

（1）機(jī)艙內(nèi)部分布問(wèn)題，較多的氣流沒(méi)有通過(guò)前端冷卻模塊，而是從四周泄漏；

（2）中冷器性能過(guò)剩，過(guò)大的壓力損失降低了通過(guò)散熱器的表面風(fēng)速，散熱器沒(méi)有充分發(fā)揮散熱性能；

（3）散熱器本身散熱能力不足。

表2 初始計(jì)算結(jié)果

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化分析

針對(duì)爬坡工況下水溫過(guò)高問(wèn)題，制定以下幾種優(yōu)化方案：（1）機(jī)艙布置的優(yōu)化；（2）中冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化；3散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)這三種優(yōu)化方案分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

在冷卻模塊的四周以及冷凝器的前端增加導(dǎo)流板，目的是盡量讓更多的空氣進(jìn)入到冷卻系統(tǒng)內(nèi)部，參與冷卻系統(tǒng)冷卻，如圖2所示，并且可以減少冷凝器前端渦流的產(chǎn)生。

圖2 優(yōu)化后的冷卻模塊矢量流場(chǎng)

將中冷器的翅片波長(zhǎng)調(diào)整至5mm，相應(yīng)的中冷器的阻力會(huì)減小，調(diào)整后通過(guò)中冷器的風(fēng)速由原來(lái)的3.1m/s提高至3.2m/s，計(jì)算此時(shí)的散熱器進(jìn)水溫度，如表3所示。

表3 中冷器優(yōu)化后結(jié)果

將散熱器尺寸加大50mm，如表4，在其它參數(shù)不變的情況下，計(jì)算散熱器進(jìn)水溫度如表5所示。

表4 散熱器尺寸變化

表5 散熱器優(yōu)化后結(jié)果

綜合以上幾種方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)加導(dǎo)流板的方案已確定的情況下，散熱器高度增加，中冷器翅片波長(zhǎng)加長(zhǎng)的方案可選擇一種，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度可滿足要求，如表6。

表6 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

方案1：發(fā)艙流場(chǎng)優(yōu)化及中冷器翅片波長(zhǎng)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為106.9℃；

方案2：發(fā)艙流場(chǎng)優(yōu)化及散熱器尺寸增加，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為106.0℃。

③ 王燕晶.“中國(guó)風(fēng)”歌曲流行現(xiàn)狀及其在對(duì)外漢語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川:四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版第26卷第5期,2011.

考慮到改進(jìn)難度，發(fā)艙內(nèi)部布置，以及成本因素，推薦選擇發(fā)艙導(dǎo)流板優(yōu)化和中冷器優(yōu)化方案。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱害分析

建立整車流體計(jì)算模型，并生成計(jì)算域，如圖3，建立trim網(wǎng)格2500萬(wàn)個(gè)。

圖3 整車流體計(jì)算模型

車速邊界條件130km/h，環(huán)境溫度40℃，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部熱源部件參照熱平衡試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置溫度邊界，如表7。

省交通運(yùn)輸廳聚焦高質(zhì)量發(fā)展的時(shí)代要求，深刻認(rèn)識(shí)“最迫切”的內(nèi)涵，深刻認(rèn)識(shí)到江蘇交通運(yùn)輸發(fā)展不僅要走在全國(guó)前列，而且要為全省高質(zhì)量發(fā)展當(dāng)好先行，真正把江蘇的區(qū)位優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為交通優(yōu)勢(shì)、提升為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為落實(shí)省委省政府提出的“以我為主、系統(tǒng)謀劃綜合交通運(yùn)輸體系”的要求，省交通運(yùn)輸廳黨組制定印發(fā)了《關(guān)于加快建設(shè)綜合交通運(yùn)輸體系、支撐和引領(lǐng)全省高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》，重點(diǎn)圍繞“體制改革、規(guī)劃研究、工程建設(shè)、運(yùn)輸服務(wù)”方面加快推進(jìn)，現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系建設(shè)實(shí)現(xiàn)良好開(kāi)局，特別是補(bǔ)短板工程取得突破性進(jìn)展。

表7 溫度邊界

為了標(biāo)定計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差，對(duì)比了散熱器背部的四個(gè)溫度點(diǎn)，參見(jiàn)圖4，從表8對(duì)比結(jié)果來(lái)看，誤差控制在10%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算分析方法的正確性和可行性。 1.2 材料 選擇山東威海潔瑞醫(yī)用有限公司提供的24G×19 mm針管回縮式靜脈留置針，6 cm×7 cm 3M含碘敷貼。 圖4 散熱器背部四個(gè)溫度點(diǎn)

表8 各點(diǎn)溫度對(duì)比

重點(diǎn)分析排氣歧管以及渦輪增壓器的高溫對(duì)其附近部件的影響，主要關(guān)注壓縮機(jī)表面、發(fā)電機(jī)表面、空濾器以及空調(diào)管路表面溫度情況，如圖5所示。 圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部表面溫度

排氣歧管以及渦輪增壓器隔熱罩的包覆程度較低，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、空濾器、空調(diào)管路等部件直接進(jìn)行高溫輻射，易產(chǎn)生熱害風(fēng)險(xiǎn)，可以對(duì)排氣歧管和渦輪增壓器隔熱罩進(jìn)行優(yōu)化，加大隔熱面積。

不久前，筆者與朋友相約（1970年代，朋友的父親曾在天津手表廠工作）來(lái)到天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)海鷗表博物館參觀。該博物館坐落于海鷗表業(yè)集團(tuán)新廠區(qū)內(nèi)，是天津市著名博物館和青少年愛(ài)國(guó)主義教育基地之一，常年以團(tuán)體預(yù)約方式為參觀者免費(fèi)開(kāi)放（圖01）。

表9 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部熱害點(diǎn)

針對(duì)可能出現(xiàn)的熱害問(wèn)題，做進(jìn)一步的優(yōu)化，如圖6所示，針對(duì)排氣歧管和催化器增加隔熱罩，阻止此部位的對(duì)流換熱和熱輻射。 圖6 有無(wú)隔熱罩對(duì)比模型

分別分析以上幾種狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)，計(jì)算模擬爬坡工況，車速50km/h，環(huán)境溫度40℃，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部溫度邊界如圖7所示。

改革開(kāi)放40年來(lái)，我國(guó)新聞出版業(yè)發(fā)展取得了令世人矚目的巨大成就，實(shí)現(xiàn)了從單一事業(yè)體制向事業(yè)與產(chǎn)業(yè)并重的華麗轉(zhuǎn)身。一是構(gòu)建新體制。從宏觀管理體制、微觀運(yùn)行機(jī)制到流通體制三個(gè)維度逐步構(gòu)建起了完備的社會(huì)主義新聞出版管理體制與運(yùn)行機(jī)制。二是展現(xiàn)新活力。新聞出版市場(chǎng)體系與要素市場(chǎng)建設(shè)不斷完善，出版市場(chǎng)主體進(jìn)一步壯大，出版新業(yè)態(tài)強(qiáng)勢(shì)崛起，產(chǎn)業(yè)發(fā)展展現(xiàn)出全新活力。三是滿足新需求。在滿足人民群眾基本閱讀需求基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提供個(gè)性化、體驗(yàn)性需求和公眾公共文化需求。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度邊界

圖8中新的改進(jìn)方案，由于渦輪增壓器與排氣歧管連接區(qū)域仍然是外露的，此部位正對(duì)著真空筒、空濾器以及線束，真空筒與空濾器的部分區(qū)域高于120℃，超過(guò)允許溫度，線束溫度在125℃，也在危險(xiǎn)區(qū)域?？梢酝ㄟ^(guò)增加隔熱擋板的方案來(lái)降低熱輻射，排除熱害風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 各狀態(tài)下溫度場(chǎng)分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)，分析在各工況下冷卻系統(tǒng)的散熱能力，從而對(duì)冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置、零部件耐溫性進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)樣車試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證整車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能是否滿足之前優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

廣西在對(duì)市縣專項(xiàng)轉(zhuǎn)移支付管理辦法中明確要求專項(xiàng)轉(zhuǎn)移支付分配以因素法為主，但在實(shí)際分配過(guò)程中，除了與人口掛鉤的資金以外，其他大部分資金都采取項(xiàng)目分配法，分配的主觀隨意性較大，分配過(guò)程的公開(kāi)、透明度仍有待提高。近年來(lái)，廣西各級(jí)紀(jì)檢監(jiān)察機(jī)關(guān)查處了多起涉及專項(xiàng)轉(zhuǎn)移支付的腐敗案件，反映了資金分配過(guò)程中隨意性較大、權(quán)力尋租等問(wèn)題仍很突出。

試驗(yàn)工況如表10所示。

表10 熱平衡試驗(yàn)工況

達(dá)到平衡時(shí)高速行駛工況各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表11和圖9所示；達(dá)到平衡時(shí)模擬爬坡工況各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表12和圖10所示。

表11 高速工況各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

表12 爬坡工況各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖9 高速工況各點(diǎn)平衡歷程

圖10 爬坡工況各點(diǎn)平衡歷程

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，硅油風(fēng)扇在爬坡和高速兩個(gè)工況下水溫都能保持平衡，且空調(diào)未切斷，證明熱平衡能力合格，優(yōu)化效果顯著，達(dá)成整車設(shè)計(jì)要求。

5 小結(jié)

冷卻系統(tǒng)方面從一開(kāi)始的電子風(fēng)扇和硅油風(fēng)扇的選擇，通過(guò)Mule車的摸底試驗(yàn)，以及初步的一維仿真，選取電子風(fēng)扇的風(fēng)險(xiǎn)較大，排除電子風(fēng)扇的方案，著重對(duì)硅油風(fēng)扇方案進(jìn)行優(yōu)化，在分析仿真中發(fā)現(xiàn)，目前狀態(tài)下的中冷器性能有富余，但散熱器的性能不足，從這方面入手，將中冷器的性能稍微調(diào)差，這樣中冷器的阻力下降，給后面散熱器的通風(fēng)就能夠保證，這樣的優(yōu)化方案不但能達(dá)到性能目標(biāo)的要求，還能最大程度的降低成本[4-5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱害主要集中在排氣歧管和渦輪增壓器附近，通過(guò)計(jì)算仿真發(fā)現(xiàn)在這周圍還是存在熱害的風(fēng)險(xiǎn)，局部溫度過(guò)高，對(duì)排氣歧管裸露的部分有針對(duì)性的增加隔熱罩，并進(jìn)行對(duì)比分析，很好的解決了熱害的問(wèn)題。另外，在三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)前端模型的熱風(fēng)回流現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這樣的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致冷凝器的性能下降，特別是怠速時(shí)，會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)性能[6]。

參考文獻(xiàn)

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A Pickup Cooling System Optimization Analysis

Chen Jian1, Liu Junhong1, Chen Hao2

( 1.Echnological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300000 )

Abstract:In order to solve a problem of overheating temperature pickup models, analyzed specific bad condition of cooling system using one-dimensional fluid cooling system, calculation of the limit temperature under this condition, to meet the performance requirements of the cooling system was optimized by combining the 3D simulation and calculation method of one-dimensional phase, cooling system optimization program finally, the vehicle thermal balance test in the cabin, to verify the accuracy.

Keywords: Cooling System; Pickup; Three-dimensional Coupling; Optimization Analysis

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2019)03-37-04

中圖分類號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2019)03-37-04

CLC NO.: U462

作者簡(jiǎn)介：陳健，男，（1980.5-），安徽合肥人，研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.010