李現(xiàn)今 火進

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 102606）

主題詞：計算流體力學 電機 熱性能 優(yōu)化分析

1 前言

某款純電動汽車在熱平衡試驗中某些工況下，電機的最高溫度超過了限值，會對電機的性能和安全、壽命造成嚴重的影響。

本文采用STAR-CCM+軟件利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法進行定性分析，確定優(yōu)化措施，進而取得改進模型，然后將改進的模型樣件裝到實車上，通過熱平衡試驗確定是否滿足電機的散熱性能要求。

2 幾何模型與網格劃分

由于前艙布置復雜，需要考慮電機周邊部件，包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、防火墻以及底盤部件對氣流的影響，因此有必要建立除乘員艙外的整車模型，如圖1所示。對于距離電機較遠，對氣流影響較小的車身尾部，可以將網格密度適當降低，以提高計算速度。整車面網格數量約為280萬個，采用三角形網格單元劃分，最小網格尺寸控制在3 mm。整個計算流場域的尺寸為10倍車身長、10倍車身寬、5倍車身高。體網格量約為2 000萬個，采用Trim網格，在計算敏感區(qū)域（前艙內電機和冷凝器、風扇等區(qū)域）加密，實現(xiàn)局部網格細化以提高計算精度，如圖2所示。對冷凝器和風扇建立2個獨立的計算域，在車身表面使用Prism網格模擬汽車表面的附面層。

圖1 整車面網格

圖2 體網格截面圖

3 計算理論

3.1 基本控制方程

汽車前艙內的空氣流動速度與聲速相比較小，空氣密度變化不大，可以近似看作常數，因此艙內空氣可看作不可壓縮流體[1-2]。艙內模型復雜，容易引起分離，應按湍流處理[3]。令i,j=1,2,3，各基本控制方程如下[4]：

平均連續(xù)方程為：

平均動量方程為：

瞬時變量分解成平均量和脈動量2個部分，對于速度，有：

湍流動能方程（k方程）為：

湍流耗散率方程（ε方程）為：

式中，ρ為流體的密度；t為時間；xi為空間自變量；ε為湍流耗散率；k為湍流動能；分別為平均速度和脈動速度；為流體的平均壓力；μi為流體粘性系數；μ0為流體動力粘性系數；為湍流總粘性系數；μt=ρCμ·k2/ε為渦粘性系數，主要取決于流場的湍流特性，是流場空間位置的函數，滿足為對動量方程被平均化以后得到的雷諾應力項；δij為狄拉克函數，當i=j時，δij=1，當i≠j時δij=0；Cμ、Cε1、Cε2、σk、σε為常數，對于標準k-ε湍流模型，Cμ=0.09，Cε1=1.45，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

3.2 邊界條件和參數設置

計算入口的邊界設定為速度入口，設定工況為車輛以某速度向前勻速運動，本文為了統(tǒng)一與方便，設置車速為100 km/h。出口設定為壓力出口，參考壓力為0。冷凝器區(qū)域設為多孔介質區(qū)域，在STAR-CCM+中，對于多孔介質，需要獲得慣性阻力系數和粘性阻力系數來確定多孔介質的屬性，更為真實地模擬出流體經過多孔介質后的流動狀態(tài)。利用臺架試驗測得的壓降-速度曲線擬合出一條二次曲線，從而得到冷凝器的慣性阻力系數和粘性阻力系數。對于風扇區(qū)域，只需要給出風扇的轉速，并將此區(qū)域設置為旋轉區(qū)域即可[1,3,5-6]。

4 計算結果及試驗驗證

首先計算原狀態(tài)下的前艙流場。前艙流線和電機表面速度分布云圖如圖3所示，部分流線從格柵孔流出后未吹向電機，電機表面的平均風速較小，這是導致電機溫度過高的原因之一。因此需要增加導流措施[6]，使此部分冷風吹向電機以降低電機的溫度。

圖3 原狀態(tài)下前艙流場、流線圖

為了解流場效果，初步增加一簡易平板作為導流板（記為方案1）。原狀態(tài)和方案1狀態(tài)下的數模如圖4所示，相應的電機表面速度云圖如圖5所示。由圖4、圖5可知：原狀態(tài)下速度較小，且基本集中在電機正迎風面的中上部和中下部，端蓋處風速較小；增加導流板后，電機表面的平均速度增大較多，且端蓋處的風速得到較大改善。

對方案1進行熱平衡試驗，通過內置傳感器測得的最高溫度為143 ℃，原狀態(tài)下測得的最高溫度為153 ℃，超過了最高許用溫度150℃，方案1滿足電機熱平衡的要求。

圖4 原狀態(tài)和方案1數模

圖5 原狀態(tài)和方案1電機表面速度云圖

方案1是為了考察增加導流結構的效果而增加的未考慮空間布置的無厚度平板，故還必須從前艙的空間布置、導流板的強度以及便于安裝等方面的要求考慮，對方案1進一步優(yōu)化。在方案1的基礎上進行優(yōu)化，得到方案2～方案4：方案2是為了安裝方便，沿著來流方向設計成帶加強筋的平板，并且內側帶有120°圓角的傾斜面，同時為避讓其他部件，設計了1個圓形孔；方案3是在方案2的基礎上縮短內側傾斜面，但將傾斜圓角變?yōu)?35°；方案4是在方案3的基礎上，在沿來流方向帶加強筋平板的前方，即靠近前進氣格柵的一側，增加了導流翻邊，既能夠增強整個導流板的強度，又能夠有效增大沿著導流板吹向電機的冷風流量。各方案電機正迎風面和背風面速度云圖如圖6所示，電機表面平均風速如表1所示。綜合電機正迎風面和背風面的速度分布，與方案1的電機表面云圖比較，并考慮電機表面平均風速，可以看出方案4的效果最好。

流經電機底部的氣流由于受到下護板的阻滯，不能順暢流出由，如圖7a所示。從下護板結構看，在電機的后側有一斜面，是為避讓傳動系統(tǒng)部件凸起設置的，這是電機底部氣流受到阻礙的原因。為使經過電機的氣流能夠順暢流出前艙，需要在該斜面上開孔，如圖7b所示。由圖7b可知，流經電機底部的氣流能夠較順暢地通過開孔流出，并且電機上部的一部分氣流也能經開孔流出，對電機的散熱有利，這時電機表面的平均風速達到了13.6 m/s。

圖6 導流板改進方案電機正迎風面和背風面速度云圖

表1 各方案下的電機表面平均風速 m/s

圖7 下護板未開孔與開孔時電機底部流線

采用導流板的優(yōu)化方案4以及下護板開孔方案使得前艙的空氣流動得到了優(yōu)化，最終狀態(tài)流線如圖8所示。由圖8可知，從格柵孔右側流進的冷空氣受導流板的引導流向了電機，使得電機正迎風面和端蓋處的風速較原狀態(tài)明顯改善，且由于下護板斜面上的開孔措施，進一步降低了電機的溫度。

采取導流板優(yōu)化方案4同時增加下護板開孔方案的措施，在試驗室進行同一工況的熱平衡試驗。通過電機內部自帶的溫度傳感器測得的最高溫度情況如圖9所示。

圖8 最終狀態(tài)流線

圖9 熱平衡試驗最高溫度對比

由圖9可知，最終優(yōu)化方案滿足電機的熱平衡要求，電機的熱性能得到了優(yōu)化。

5 結論

a.在格柵后的冷凝器右側采用導流板措施，優(yōu)化了通過格柵孔后的冷風流向，增大了電機表面的風速和風量，降低了電機的溫度；

b.通過在下護板斜面上開孔，使得流經電機底部及上部的氣流更加順暢地流出前艙，進一步降低了電機的溫度；

c.在無法獲取內部詳細結構及相應輸入參數的情況下，利用冷流場三維計算并結合少量的試驗可提高熱性能的開發(fā)效率。