羅雪香

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

0 引言

近幾年，隨著國(guó)內(nèi)汽車出口量的增加，覆蓋區(qū)域擴(kuò)大，汽車所適應(yīng)的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜苛刻，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理性能要求也隨之提高，因此急需研究如何優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能。目前發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理主要研究方向：一是考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及冷卻系統(tǒng)部件，在冷卻液這個(gè)維度上確保發(fā)動(dòng)機(jī)在安全溫度下工作；另一方面通過(guò)合理布置發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各種元件，確保發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)合理[1-2]，保證在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部各個(gè)零部件都在其最佳工作溫度范圍內(nèi)[3]。

本文是基于某型客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙艙溫過(guò)熱導(dǎo)致零部件損毀的背景，提出一種改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙艙溫方案。即在換熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一個(gè)開口向下的導(dǎo)流罩，形成獨(dú)立的風(fēng)道，隔絕熱風(fēng)吹向發(fā)動(dòng)機(jī)艙，并將熱風(fēng)直接導(dǎo)出車外。通過(guò)CFD數(shù)值仿真計(jì)算探討風(fēng)道形狀參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量的影響，從而指導(dǎo)獨(dú)立風(fēng)道的設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到最佳散熱效果[4]。

1 仿真模型的建立

1.1 獨(dú)立風(fēng)道CAD模型

冷卻模塊獨(dú)立風(fēng)道幾何模型如圖1所示。在冷卻系統(tǒng)末端與發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一個(gè)開口朝下的風(fēng)道?？紤]到冷卻系統(tǒng)后端增加風(fēng)道會(huì)影響進(jìn)風(fēng)量，為了最大限度減小風(fēng)道對(duì)進(jìn)氣的阻礙作用，因此有必要對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。風(fēng)道結(jié)構(gòu)參數(shù)主要考慮深度和傾角，為使熱風(fēng)更通暢流出，風(fēng)道上表面設(shè)定一定的斜向下傾角Θ。深度d由100mm按Δd=50等差增加到350mm；傾角Θ由0度按等差值ΔΘ=10°增加至70°，見圖2。

圖1 風(fēng)道安裝示意圖

圖2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

所有流體流動(dòng)都必須遵守物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[5]。

質(zhì)量守恒

ρ密度，vx，vy，vz速度在x，y，z方向上分量，質(zhì)量守恒方程也稱連續(xù)性方程。

動(dòng)量守恒方程[3]

能量守恒方程

cp：比熱容，K傳熱系數(shù)，ST黏性耗散項(xiàng)

對(duì)于速度小于0.3Ma的流動(dòng)空氣一般可以看作是不可壓縮氣體[6]。汽車的行駛速度遠(yuǎn)小于0.3Ma=360km/h。因此，本文采用不可壓縮、分離流進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型采用SST k-ω模型。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)模型進(jìn)行幾何處理，去除一些不重要的零部件及特征，形成封閉的空間。根據(jù)整車形狀尺寸按比例建立一個(gè)長(zhǎng)方體的計(jì)算域，車前為3倍車長(zhǎng)、車后為4倍車長(zhǎng)，寬度為7倍車長(zhǎng)，高度為5倍車長(zhǎng)。采用STARCCM+的切面體網(wǎng)格模型（Trimer）生成體網(wǎng)格，邊界層厚度設(shè)為16，增長(zhǎng)比為1.2，共43381862個(gè)網(wǎng)格，50098431個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖3。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙網(wǎng)格

1.4 邊界條件

仿真計(jì)算工況為最大功率工況，車速為100km/h，相關(guān)的邊界條件如表1所示：

?

2 仿真分析結(jié)果

2.1 風(fēng)道參數(shù)對(duì)進(jìn)風(fēng)量的影響

風(fēng)道結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙側(cè)格柵、中冷器、散熱器的進(jìn)風(fēng)量變化如圖4 所示。隨著風(fēng)道深度d增加，左進(jìn)氣格柵、中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量均逐漸增大，當(dāng)d=350mm時(shí)，各進(jìn)風(fēng)量與無(wú)導(dǎo)風(fēng)罩基本相當(dāng)。因此風(fēng)道深度應(yīng)取350mm，能保證進(jìn)風(fēng)量。

圖4 風(fēng)道參數(shù)對(duì)進(jìn)風(fēng)量的影響

基于深度d=350mm風(fēng)道，隨著風(fēng)道上部?jī)A角Θ的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)艙側(cè)格柵、中冷器、散熱器的進(jìn)風(fēng)量變化如圖5所示。當(dāng)風(fēng)道傾角在10°～30°范圍內(nèi)各項(xiàng)進(jìn)風(fēng)量比較大，其中以20°最優(yōu)。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的安裝空間，最終選擇深度為350mm，傾角為10°的導(dǎo)風(fēng)罩。

2.2 風(fēng)道對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的影響

風(fēng)道對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的見圖5所示，風(fēng)道隔斷了換熱器流出的熱風(fēng)直接吹向發(fā)動(dòng)機(jī)，而是從底部排出。風(fēng)道的深度和風(fēng)道上方的傾角對(duì)流場(chǎng)有一定的影響，隨著導(dǎo)流罩深度的增大，對(duì)進(jìn)氣的阻擋用作越小，氣流越順暢；當(dāng)上表面傾角較小時(shí)可減弱矩形導(dǎo)流罩產(chǎn)生的渦流，使氣流更加順暢，當(dāng)傾角增大到一定角度后，斜邊會(huì)阻擋中冷器，減小中冷器的進(jìn)風(fēng)量。

圖5 x=8.7截面溫度分布

2.3 風(fēng)道對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)艙橫截面x=8.7上的溫度分布顯示：增加獨(dú)立風(fēng)道后發(fā)動(dòng)機(jī)艙的艙溫明顯降低。發(fā)動(dòng)機(jī)頂部溫度下降明顯，渦輪增壓器附近由150℃降到87.5℃，發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)高溫區(qū)由135℃降低到103℃。這主要是因?yàn)轱L(fēng)道隔絕熱風(fēng)流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙。

圖6 x=8.7截面溫度分布

由z=0截面溫度顯示：加了獨(dú)立風(fēng)道后發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)以及末端的艙溫明顯降低。機(jī)艙的右側(cè)、左側(cè)后處理器、空濾器，渦輪增壓器附近，發(fā)動(dòng)機(jī)末端溫度均明顯下降。

圖7 z=0截面上溫度分布

根據(jù)受熱件極限溫度保護(hù)要求，在發(fā)電機(jī)線束附近、艙溫報(bào)警器附近設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫度，見表2。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：在換熱器末端增加導(dǎo)流罩形成獨(dú)立風(fēng)道，阻止熱風(fēng)吹向發(fā)動(dòng)機(jī)，可有效降低艙內(nèi)溫度。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，車型選擇與仿真車型相似，但具體配置稍有區(qū)別。當(dāng)天室內(nèi)環(huán)境溫度為32℃，測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)，試驗(yàn)方法參照GBT12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

艙溫傳感器布置見圖12，溫度測(cè)試結(jié)果列于表3。

表3 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)溫度測(cè)試結(jié)果

圖8 艙溫測(cè)試點(diǎn)分布

表中數(shù)據(jù)顯示在額定功率工況下，除了空調(diào)電機(jī)外，其他測(cè)點(diǎn)的艙溫均有所下降，說(shuō)明獨(dú)立風(fēng)道起到降低艙溫效果。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果兩者整體趨勢(shì)一致，由于試驗(yàn)測(cè)試的車型與仿真計(jì)算用的車型配置上不一樣，且試驗(yàn)布點(diǎn)位置與仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)法完全吻合，因此仿真與試驗(yàn)具體數(shù)值上存在10%左右誤差，在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

冷卻模塊獨(dú)立風(fēng)道對(duì)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量有影響。隨著導(dǎo)風(fēng)罩深度的增加，進(jìn)風(fēng)量增大；導(dǎo)風(fēng)罩上表面傾斜角度由小變大，進(jìn)風(fēng)量呈拋物線變化，在10°～30°之進(jìn)風(fēng)量最大。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)艙安裝空間，最終導(dǎo)風(fēng)罩深度d取350mm，上表面傾角取10°。

冷卻模塊獨(dú)立風(fēng)道可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度。開口向下的導(dǎo)風(fēng)罩將熱風(fēng)隔絕，直接引出車外，從而降低艙溫，避免熱風(fēng)二次加熱機(jī)艙內(nèi)零部件。