方升

摘要：在能源危機、排放法規(guī)日趨嚴格和乘坐舒適性要求的提高背景下，對車輛熱管理的要求越來越高。本文主要就汽車冷卻系統(tǒng)換熱性能做數(shù)據(jù)收集工作，性能邊界數(shù)據(jù)包括試驗測試數(shù)據(jù)和仿真分析結果，文中利用試驗測試與仿真分析手段對水泵性能數(shù)據(jù)、節(jié)溫器性能數(shù)據(jù)和散熱器性能數(shù)據(jù)進行測試與計算。并將分析結果與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證分析精度，根據(jù)分析結果與試驗數(shù)據(jù)可知，分析結果具有足夠的精確度，CFD仿真分析方法可以應用于產(chǎn)品開發(fā)中，指導產(chǎn)品設計。

關鍵詞：熱管理;CFD仿真分析;性能測試;冷卻系統(tǒng);對比

0? 引言

車輛熱管理研究涉及多種邊界條件，首先通過計算及測試手段獲取各性能數(shù)據(jù)，換熱分析常涉及如各換熱元件的性能參數(shù)、熱管理工況點、各個部件的換熱量、發(fā)動機水套本體性能和換熱部件的空氣量邊界等。不同類型的數(shù)據(jù)獲取方式不一樣，零部件性能數(shù)據(jù)可以利用臺架試驗測試得到，一些無法試驗獲取的數(shù)據(jù)可以通過仿真分析確定。接下來就部分部件測試過程及測試結果進行講解，主要部件為水泵、節(jié)溫器、散熱器。

1? 冷卻模塊性能數(shù)據(jù)分析與測試

冷卻模塊主要包括冷卻水泵和節(jié)溫器，其中水泵主要的功用是對冷卻液進行加壓，保證冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動，汽車中常用離心式水泵，主要結構包括水泵蝸室、葉輪、旋轉軸及進出水口等結構。冷卻模塊另一個結構為節(jié)溫器，節(jié)溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門，節(jié)溫器根據(jù)冷卻液溫度的高低來控制冷卻液是否流向散熱器。

1.1 冷卻模塊的仿真分析

首先確定冷卻模塊中的水泵和節(jié)溫器性能數(shù)據(jù)，為了驗證這兩個部件性能數(shù)據(jù)的準確性，首先對這兩個部件進行仿真分析，獲取節(jié)溫器流阻性能數(shù)據(jù)和水泵單體性能數(shù)據(jù)，然后再利用臺架試驗驗證分析結果的準確性。

冷卻模塊CFD（計算流體動力學）首先依據(jù)三維幾何模型進行流體域的抽取，然后再通用有限元軟件中進行幾何處理和面網(wǎng)格的劃分，接著在流體軟件中生成流體網(wǎng)格并將邊界條件輸入，最后進行CFD分析以及計算結果的查看。

首先對冷卻模塊進行流體域的抽取，將冷卻模塊流體域各進出口進行了標注，該結構主要包括節(jié)溫器和水泵兩部分。然后對冷卻模塊進行模型處理及網(wǎng)格劃分，最后生成流體域，為了保證分析結果準確性，需要保證網(wǎng)格具有較好的質(zhì)量，最后給定不同的流量和壓力邊界進行冷卻模塊的CFD分析。

根據(jù)不同流量和壓力邊界下的分析結果統(tǒng)計出節(jié)溫器流阻性能曲線和水泵單體性能數(shù)據(jù)，結果如圖1所示。其中圖2為節(jié)溫器流阻特性仿真結果。圖3為水泵單體性能仿真分析結果，水泵揚程數(shù)據(jù)與系統(tǒng)阻力情況直接決定系統(tǒng)流量分配情況。

1.2 冷卻模塊試驗

為了保證節(jié)溫器流阻數(shù)據(jù)和水泵單體性能數(shù)據(jù)的準確性，需要進行節(jié)溫器單體臺架試驗和水泵單體性能臺架試驗。

首先進行節(jié)溫器單體性能試驗。通過壓差傳感器測量測試部件兩側的壓差，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)阻力，進而實現(xiàn)變流量測試，通過流量計獲得通過測試部件的流量大小，系統(tǒng)中的泵部件為動力部件，實現(xiàn)系統(tǒng)流量的流動，水箱對多余的液體進行儲存及加熱的作用。最后進行測試數(shù)據(jù)處理并繪制成節(jié)溫器壓損特性曲線，具體數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示，根據(jù)圖中仿真分析結果和試驗測試數(shù)據(jù)對比可知，兩組數(shù)據(jù)偏差在10%以內(nèi)，說明仿真結果具有足夠的精度，也說明測試數(shù)據(jù)結果可信，可以應用于后續(xù)計算中。

水泵單體性能試驗臺架的主要結構包括控制柜、儲水箱、水泵安裝臺、傳感器、驅動電機和控制閥。驅動電機與試驗臺通過皮帶連接，進行水泵單體性能測試，并對每一個測試點數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，保證數(shù)據(jù)測試結果的準確性。根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)與CFD仿真分析結果對比可知，兩組數(shù)據(jù)在各流量點下對應較好，數(shù)據(jù)具有足夠的精度，該測試數(shù)據(jù)可以應用于后續(xù)冷卻系統(tǒng)換熱分析中。

2? 散熱器性能測試及分析驗證

散熱器是由進水室、出水室和散熱器芯體組成，安裝在發(fā)動機前的車架橫梁上，其作用為將冷卻液在水套中吸收的熱量傳遞給外界環(huán)境，進而達到降低水溫、保證發(fā)動機正常工作的目的。散熱器因為承擔著系統(tǒng)主要散熱的作用，其性能數(shù)據(jù)的準確系統(tǒng)直接影響換熱分析結果的精度。散熱器主要的性能為換熱性能曲面、水側流動阻力和風側流動阻力。

2.1 散熱器單體試驗

散熱器單體試驗測試條件為：液氣溫差60℃，水流量分別為80L/min、100L/min和120L/min，風速分別為2m/s、4m/s、6m/s和8m/s，冷卻液為50%的乙二醇溶液。

搭建好單體性能臺架，對散熱器進行性能測試，得到具體測試結果如表1所示，表中主要參數(shù)為不同水流量下的散熱器水側阻力，不同風速邊界下的散熱器風側阻力和不同邊界下的散熱器換熱量數(shù)據(jù)。然后對測試的數(shù)據(jù)進行處理，得到該車型的散熱器換熱性能曲面、散熱器風側阻力、散熱器水側阻力。

2.2 散熱器CFD分析

這三組數(shù)據(jù)直接決定散熱器的性能，對冷卻系統(tǒng)仿真分析及發(fā)動機艙的CFD分析結果的準確性均有著重要的影響。所以為了驗證數(shù)據(jù)的準確性及進行模型的校核，搭建散熱器單體仿真分析模型，將試驗邊界數(shù)據(jù)輸入到分析模型中，進行散熱器單體性能的CFD分析，取風速8m/s、冷卻液流量120l/min、進水溫度為90℃、進風溫度為30℃的試驗工況。進行散熱器雙流模型的CFD分析，根據(jù)溫度場分布可知與實際溫度分布預期相似。

3? 結論

該工況下散熱器的換熱量數(shù)據(jù)如圖4所示，計算邊界下最終換熱量數(shù)據(jù)平衡到56800W，而試驗測試數(shù)據(jù)為56.2kW，仿真分析結果和試驗數(shù)據(jù)符合較好，說明結果具有足夠的精確度，可以進一步應用于汽車冷卻系統(tǒng)仿真分析及發(fā)動機艙CFD分析中。

參考文獻：

[1]李飛，施鵬飛，于劍澤.汽車發(fā)動機冷卻風扇對機艙熱管理影響的研究[J].汽車實用技術，2019（14）：95-98.

[2]王俊昌，王飛.汽車高低溫散熱器連接方式對散熱影響的研究[J].機械設計與制造，2019（03）：212-216.

[3]何星，周梓發(fā)，章凱，李廳.高原環(huán)境對車輛柴油機冷卻系統(tǒng)性能影響分析[J].內(nèi)燃機與配件，2017（22）：28-31.

[4]劉佳鑫，王寶中，龍海洋，蔣炎坤.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能評估方法及正向設計應用[J].車用發(fā)動機，2017（05）：6-10.