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        低速爬坡工況排氣熱害耦合分析

        2021-03-29 09:40:06王心宇耿勝民
        汽車實(shí)用技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)模型

        王心宇,耿勝民

        (北京希艾益科技有限公司,北京 100076)

        1 模型介紹

        使用三維流體仿真分析軟件與輻射分析軟件中模型如下:

        1.1 實(shí)驗(yàn)

        基于某1.5T SUV低速爬坡工況,熱平衡試驗(yàn)在卡達(dá)克熱環(huán)境艙進(jìn)行,車速:40km/h,坡度:7%,環(huán)境溫度:40℃,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速:2400r/min。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn):將車固定在轉(zhuǎn)鼓工作臺(tái)上,固定前拖車鉤,對于前驅(qū)車輛固定后輪,前輪下的轉(zhuǎn)鼓用于添加阻力。車前風(fēng)機(jī)用于模擬風(fēng)速。采用K型熱電偶測量排氣系統(tǒng)溫度,K型熱電偶使用溫度:-200~1300℃,采用 T型熱電偶測量周邊零部件溫度,T型熱電偶使用溫度-200~350℃。

        1.2 三維流體分析模型

        利用三維流體分析模型計(jì)算對流換熱系數(shù),在三維流體分析軟件中建立風(fēng)洞計(jì)算域用于模擬卡達(dá)克熱環(huán)境艙,計(jì)算域模型長 65m,寬 14m,高 6m。入口設(shè)置為速度入口,速度為40km/h,出口為壓力出口[1],車底地面區(qū)域設(shè)置為移動(dòng)地面,移動(dòng)地面速度與車速大小相等且與車的運(yùn)動(dòng)方向相反[2],用于模擬下車體流場。保留機(jī)艙線束,制動(dòng)管線,冷卻管路,并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,排氣系統(tǒng)及周邊零部件如:吊耳、隔熱罩等進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。對發(fā)動(dòng)機(jī)艙及排氣系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格加密處理,最終三維流體分析模型中體網(wǎng)格總數(shù)約為3400萬。風(fēng)扇單獨(dú)劃分區(qū)域,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn),設(shè)置風(fēng)扇恒定轉(zhuǎn)速2400r/min,散熱器、冷凝器劃分單獨(dú)區(qū)域,由于冷卻模塊 CAD數(shù)據(jù)沒有翅片等詳細(xì)結(jié)構(gòu),即使有數(shù)據(jù)處理起來也比較復(fù)雜,如果采用數(shù)據(jù)中的模型,偏差過大,所以模型中采用多孔介質(zhì)區(qū)域模擬冷卻模塊阻力特性[3]。為了更好的模擬氣體特性,空氣設(shè)置為理想氣體。

        圖1 輻射分析模型

        圖2 流體分析模型

        圖3 熱環(huán)境倉

        圖4 三維流體計(jì)算模型

        1.3 熱輻射分析模型

        使用某輻射軟件計(jì)算熱輻射、熱傳導(dǎo),使用三維流體分析軟件計(jì)算對流換熱, 熱輻射計(jì)算模型與流體分析模型耦合9次后溫度差<1℃,停止耦合計(jì)算。最終仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近,由于測點(diǎn)位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差,部分測點(diǎn)位置溫度差值較大。

        圖5 輻射模型中排氣系統(tǒng)溫度

        排氣系統(tǒng)布點(diǎn)時(shí):催化器附近布置監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)密集一些,該處溫度變化較大。前消音器至后消音器位置可以減少布置監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量,該處溫度變化較小。

        表1 輻射模型中排氣系統(tǒng)溫度值

        2 仿真分析結(jié)果

        三維流體計(jì)算模型中計(jì)算對流化熱系數(shù)作為輻射計(jì)算模型的邊界條件,輻射模型中計(jì)算得出表面溫度作為三維流體計(jì)算模型的邊界條件[4],輻射計(jì)算模型與流體計(jì)算模型耦合9次后溫度差值<1℃,終止耦合計(jì)算,提取最終計(jì)算結(jié)果,后消音器后吊耳溫度云圖如下圖,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對比如下表:

        表2 測點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值對比

        由于輻射模型中未對發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等添加表面溫度,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零部件測點(diǎn)溫度仿真值低于實(shí)驗(yàn)值,在合理范圍內(nèi),比如:水箱上水管、水箱下水管、發(fā)電機(jī)表面、發(fā)動(dòng)機(jī)下懸置、發(fā)動(dòng)機(jī)上蓋正上、噴油嘴線束2缸、點(diǎn)火線圈線束2缸等。

        圖6 后消音器后吊耳表面溫度

        下車體部分位置由于測點(diǎn)位置偏差,部分零部件位置,實(shí)驗(yàn)值與仿真值溫度相差較大,如:后消音器后位置仿真值與實(shí)驗(yàn)值相差較大。由于測點(diǎn)位置偏差,導(dǎo)致球籠防塵罩部分測點(diǎn)位置實(shí)驗(yàn)值與仿真值相差較大。

        為了更清晰地看出仿真值與實(shí)驗(yàn)值的差異,將仿真值與實(shí)驗(yàn)值的溫度對比表格做成柱狀圖如下:

        圖7 測點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值對比

        表中前部分誤差較大位置主要是發(fā)動(dòng)機(jī)變速器等未添加溫度邊界,表后半部分誤差較大位置是由于仿真測點(diǎn)位置與實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)位置偏差,比如球籠防塵罩位置,以及后消音器附近,后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

        圖8 測點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差

        3 結(jié)論

        根據(jù)低速爬坡熱平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果對比得出:

        使用流體計(jì)算模型與輻射計(jì)算模型耦合分析計(jì)算底盤熱害,仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近,由于測點(diǎn)位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差,部分測點(diǎn)位置溫度差值較大。比如球籠防塵罩、后消音器附近,后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

        使用流體計(jì)算模型與輻射計(jì)算模型耦合分析可以用于底盤熱害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)測以及超溫零部件整改。

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