韓奎超,張俊,周炯明,劉小穎,李俊鋒,李田田
(1.上汽大眾汽車有限公司技術(shù)中心,上海 201805;2.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804)
整車零部件溫度試驗(yàn)涉及傳熱學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)等多門(mén)學(xué)科,是整車熱管理的重要分支,也是整車質(zhì)量檢驗(yàn)的重要一環(huán)。一般各家主機(jī)廠都有自己定義的試驗(yàn)工況,涵蓋不同環(huán)境溫度、不同車速和不同坡度等。燃油車的零部件溫度試驗(yàn)主要考察兩個(gè)方面:一是發(fā)動(dòng)機(jī)艙及排氣管周邊的塑料件和橡膠件,避免因工作環(huán)境溫度過(guò)高而導(dǎo)致老化加速、熔化變形甚至車輛自燃事故;二是熱敏感零件的環(huán)境溫度,有些執(zhí)行器例如轉(zhuǎn)向機(jī)等零部件,雖然其電機(jī)線圈本身是金屬材質(zhì),但對(duì)工作環(huán)境的溫度要求較高,一旦超出本身所允許的工作溫度就會(huì)出現(xiàn)熱保護(hù),導(dǎo)致工作功能減弱,從而危害車輛行駛安全。
仿真和試驗(yàn)是驗(yàn)證整車零部件溫度的兩種最主要的手段[1]。雖然試驗(yàn)的數(shù)據(jù)最為可靠,但具有周期長(zhǎng)、成本高等局限性;仿真試驗(yàn)周期短、成本低、數(shù)據(jù)展示更為直觀。因此,本文作者將這兩種手段的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合,大大提高開(kāi)發(fā)效率。
某一改款 SUV 車型在進(jìn)行整車零部件溫度試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)前副車架動(dòng)力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域溫度較上一代車型有所升高。動(dòng)力總成懸置是連接動(dòng)力總成與前副車架的橡膠緩沖塊,如果該零件溫度過(guò)高可能會(huì)降低其耐久壽命,發(fā)生破損,在行駛過(guò)程中產(chǎn)生類似金屬敲擊聲的異響。而轉(zhuǎn)向機(jī)的環(huán)境溫度過(guò)高則更為嚴(yán)重,尤其對(duì)于中大型SUV來(lái)說(shuō),前軸載荷較大,轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)線圈發(fā)熱量相對(duì)較大,如遇連續(xù)轉(zhuǎn)向工況,可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)線圈散熱量不足,發(fā)生轉(zhuǎn)向機(jī)過(guò)熱報(bào)警、轉(zhuǎn)向助力失效等危險(xiǎn)情況。
因此需要對(duì)該情況進(jìn)行分析,尋找熱害形成原因,并得出可行的解決方案。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),該車型與上一代車型相比,在前保險(xiǎn)杠下方實(shí)施了空氣動(dòng)力學(xué)措施——安裝氣壩(圖1)。為了分析氣壩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的影響,對(duì)整車進(jìn)行建模,并進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。
圖1 氣壩
由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)速度小于聲速的1/3,空氣密度變化比較小,故在計(jì)算時(shí)可以將空氣近似看作是不可壓縮的氣體,密度為常數(shù)。由于速度的作用,車輛行駛會(huì)引起空氣流體的無(wú)序流動(dòng),進(jìn)而形成空氣渦流和邊界層分離。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部組件多且布置緊湊、湍流較多,因此該流場(chǎng)仿真可以看作是三維、定常、不可壓縮的湍流運(yùn)動(dòng),文中采用汽車開(kāi)發(fā)應(yīng)用較為廣泛的Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行求解[2-4],滿足連續(xù)性方程:
(1)
式中:ρ為流體密度;u,v,w分別表示流體速度矢量在x,y,z方向上的矢量。
由于不可壓縮流體滿足?ρ/?t=0,因此式(1)轉(zhuǎn)化為:
divv=0
(2)
文中主要側(cè)重分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙在內(nèi)的整車前部區(qū)域流場(chǎng),因此可以對(duì)底盤(pán)后部、車身后部和部分外飾件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,舍去外后視鏡、門(mén)把手和內(nèi)飾模型,保留發(fā)動(dòng)機(jī)艙和前副車架等區(qū)域的部件,省略發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的部分線束,提高計(jì)算效率,節(jié)約計(jì)算資源。對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的轉(zhuǎn)向機(jī)和副車架區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,以提高計(jì)算精度。計(jì)算模型使用多面體網(wǎng)格搭建,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部、底盤(pán)及尾流區(qū)域加密體網(wǎng)格尺寸為3 mm,距離車身較遠(yuǎn)的計(jì)算域網(wǎng)格尺寸取16 mm,構(gòu)建網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖2 網(wǎng)格模型
散熱風(fēng)扇選用多重參考模型模擬散熱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)對(duì)流場(chǎng)的影響。冷卻模塊選用多孔介質(zhì)模型,滿足如下方程:
(3)
式中:v為通過(guò)多孔介質(zhì)的表觀速度;Pi和Pv分別為決定多孔介質(zhì)阻力的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)。
分別根據(jù)各自的單體試驗(yàn)得到的速度與壓力損失數(shù)據(jù)擬合出Δp-v曲線,并設(shè)置截距為0,擬合其多孔慣性阻力系數(shù)和多孔黏性阻力系數(shù)。
文中構(gòu)建了與風(fēng)洞相同大小的計(jì)算域,長(zhǎng)寬高分別為28、8和6 m,設(shè)置計(jì)算域入口距離車頭8 m,出口距離車尾15 m,地面高出輪胎最低點(diǎn)20 mm以模擬因自重導(dǎo)致的車身高度變化。邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口,入口速度分別為40 km/h和100 km/h。空氣視為定密度氣體,構(gòu)建計(jì)算域如圖3所示。
圖3 計(jì)算域模型
基于上文構(gòu)建的仿真模型,使用STARCCM+軟件對(duì)分別計(jì)算安裝氣壩和拆除氣壩后的兩種狀態(tài)進(jìn)行流場(chǎng)分析。取Y=0.18處截面,觀察發(fā)動(dòng)機(jī)艙和發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板區(qū)域的氣流軌跡,如圖4—7所示。
圖4 原車狀態(tài)(40 km/h)
圖5 原車狀態(tài)(100 km/h)
對(duì)比圖4—7可以發(fā)現(xiàn),車輛前部迎風(fēng)在車頭前分流為三部分:(1)沿引擎蓋流向車尾;(2)經(jīng)前格柵穿過(guò)冷卻模塊進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙;(3)從車頭下方進(jìn)入車身底部。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流經(jīng)冷凝器、中冷器、主散熱器后,繞過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾蓋,然后沿防火墻到轉(zhuǎn)向機(jī)與副車架區(qū)域,經(jīng)中央通道流出發(fā)動(dòng)機(jī)艙。為了降低轉(zhuǎn)向機(jī)和副車架區(qū)域的空氣溫度,在發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板設(shè)計(jì)時(shí),在正對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)的位置設(shè)置了導(dǎo)氣孔,將部分流過(guò)車身下方的環(huán)境空氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部區(qū)域的空氣溫度。
圖6 拆除氣壩(40 km/h)
圖7 拆除氣壩(100 km/h)
這一設(shè)計(jì)也在圖6和圖7上得到了驗(yàn)證。從中看出,在拆除氣壩后,有一部分氣體經(jīng)導(dǎo)氣孔進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。由于環(huán)境溫度相對(duì)較低,可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部區(qū)域起到降溫的作用。而在原車狀態(tài)下,氣體流經(jīng)前保險(xiǎn)杠下沿時(shí)迎風(fēng)面壓力較大,而背風(fēng)面壓力小,且氣壩的存在增大了背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)域,導(dǎo)致分離區(qū)變大,在氣壩后方出現(xiàn)一個(gè)較大的旋渦,如圖4和圖5所示。旋渦使紊流尾流與護(hù)板Z向距離增大,環(huán)境空氣無(wú)法通過(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙,空氣導(dǎo)流失效。這也是導(dǎo)致這一改款車型副車架動(dòng)力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域工作溫度偏高的原因。
為了維持車輛當(dāng)前的空氣動(dòng)力學(xué)性能,保留氣壩,這一問(wèn)題的解決方向就集中到如何減小旋渦區(qū)。由文獻(xiàn)[5-6]可知,安裝氣壩可以有效阻擋直接沖擊在輪胎和車輛底部的氣流,達(dá)到降低空氣阻力系數(shù)的目的。即如果不改變氣壩的高度,通過(guò)減小負(fù)壓區(qū),就有可能保持整車風(fēng)阻系數(shù)不變,于是提出對(duì)氣壩后的三角區(qū)域進(jìn)行封堵的方案。根據(jù)流體力學(xué)可知,流線體繞流的分離區(qū)很小,甚至不發(fā)生邊界層分離。因此,氣壩到封堵平板之間為流線型過(guò)渡應(yīng)為較優(yōu)方案。但由于考慮到流線型氣壩不容易安裝,且制造加工困難,最終確定直接將氣壩后方負(fù)壓區(qū)封堵的方案。針對(duì)該方案優(yōu)化模型,并進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖8和圖9所示。
由圖8和圖9可以看出,優(yōu)化后的渦流區(qū)域明顯變小,且在高速工況下有部分氣流通過(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部。這部分氣流由于相對(duì)溫度較低,可以起到降低副車架和轉(zhuǎn)向機(jī)附近溫度的作用。
圖8 優(yōu)化方案(40 km/h)
圖9 優(yōu)化方案(100 km/h)
為了評(píng)估該方案對(duì)原車空氣阻力系數(shù)和散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量的影響,文中分別對(duì)上述方案1原車狀態(tài)、方案2拆除氣壩和方案3優(yōu)化方案等進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果如表1所示。
表1 不同方案的風(fēng)阻系數(shù)和散熱模塊進(jìn)氣量對(duì)比
根據(jù)先前的氣動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果,方案1原車的空氣阻力系數(shù)為0.351,與仿真計(jì)算誤差約為0.9%,說(shuō)明文中所用仿真方法可靠,計(jì)算結(jié)果有效。
基于以上模型和仿真結(jié)果可以看出,拆除氣壩后,整車風(fēng)阻系數(shù)明顯升高,氣壩對(duì)風(fēng)阻系數(shù)貢獻(xiàn)值約為0.021。實(shí)施優(yōu)化方案后,風(fēng)阻系數(shù)降低了0.004。由流體力學(xué)可知,尾渦區(qū)壓力小于迎風(fēng)體前部的壓力,會(huì)在鈍體前后產(chǎn)生壓力差,形成壓差阻力。擋板的存在減小了負(fù)壓區(qū)域,使得氣壩前后的壓差區(qū)域變小,從而降低了壓差阻力。此外,拆除氣壩后,散熱系統(tǒng)的進(jìn)氣量降低了5%左右,而優(yōu)化方案與優(yōu)化前幾乎相同。這是由于拆除氣壩后,汽車前保險(xiǎn)杠撞擊氣流的面積減小,更多的氣流流向了底部。而優(yōu)化方案只是在氣壩后方加了一塊擋板,且平行于地面,對(duì)前保險(xiǎn)杠的迎風(fēng)面積沒(méi)有影響,因此不會(huì)影響前端模塊的進(jìn)氣量。
綜上,通過(guò)在氣壩后方加裝水平擋板,減小分離區(qū),可以使發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板導(dǎo)氣孔恢復(fù)導(dǎo)流功能,同時(shí)不影響整車散熱模塊的進(jìn)氣量,對(duì)風(fēng)阻系數(shù)也有積極的影響。
為了驗(yàn)證該優(yōu)化方案對(duì)溫度的影響,在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞(CWT)進(jìn)行了溫度試驗(yàn),圖10為手工優(yōu)化樣件在實(shí)車上的安裝效果。在副車架動(dòng)力總成懸置及轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域布置了多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分別為動(dòng)力總成懸置橡膠內(nèi)部,動(dòng)力總成懸置空氣溫度,穩(wěn)定桿橡膠_左,穩(wěn)定桿橡膠_右,轉(zhuǎn)向機(jī)罩殼,轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_左,轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右等,圖11為部分測(cè)點(diǎn)照片。設(shè)置環(huán)境溫度為45 ℃,按相同工況行駛,該工況覆蓋高中低不同車速以模擬客戶最常用的行駛工況,是公司內(nèi)部定義的用于零部件溫度認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)工況。另外,還需保證每個(gè)方案試驗(yàn)開(kāi)始前的各測(cè)點(diǎn)起始溫度與其他方案相差±2 ℃以內(nèi),每個(gè)測(cè)點(diǎn)結(jié)果取試驗(yàn)中的最高溫度,如表2所示。
圖10 樣件照片
圖11 部分測(cè)點(diǎn)照片
表2 實(shí)車溫度試驗(yàn)結(jié)果℃
從整車溫度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,動(dòng)力總成懸置附近的空氣溫度有10 ℃左右的優(yōu)化量,表明拆除氣壩和在氣壩后部加裝擋板都可以有效地影響導(dǎo)氣孔附近的流場(chǎng),將車身底部溫度相對(duì)較低的空氣重新導(dǎo)流到發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部區(qū)域后方,降低此處的環(huán)境溫度。而動(dòng)力總成懸置橡膠內(nèi)部由于橡膠的隔熱作用,也有5 ℃左右的小幅降低,并不會(huì)有太大的溫度波動(dòng)。
轉(zhuǎn)向機(jī)罩殼在拆掉氣壩和實(shí)施優(yōu)化措施的狀態(tài)下有10 ℃左右的下降值,其原因與動(dòng)力總成懸置附近空氣溫度下降原因相同。轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_左和穩(wěn)定桿橡膠_左在3種狀態(tài)下并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的溫度差異,這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板的開(kāi)孔位于車輛中心線偏右的位置,因此導(dǎo)氣孔進(jìn)來(lái)的空氣并不會(huì)對(duì)副車架左側(cè)的溫度產(chǎn)生影響,而會(huì)降低轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右和穩(wěn)定桿橡膠_右的溫度。轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右的溫度下降值大于穩(wěn)定桿橡膠_右,這是由于轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套_右測(cè)點(diǎn)測(cè)量的是轉(zhuǎn)向機(jī)護(hù)套表面的溫度,而穩(wěn)定桿橡膠_右是將熱電偶插入橡膠,測(cè)量橡膠內(nèi)部的溫度。
綜合來(lái)看,動(dòng)力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域在拆除氣壩和加裝氣壩后擋板后,溫度普遍有了較為明顯的降低,且優(yōu)化措施與拆除氣壩效果相近,說(shuō)明上節(jié)的分析結(jié)論得到驗(yàn)證。該方案有效降低動(dòng)力總成懸置和轉(zhuǎn)向機(jī)區(qū)域的環(huán)境溫度,達(dá)到了優(yōu)化目的。
(1)通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車身底部流場(chǎng)仿真分析,氣壩的應(yīng)用對(duì)降低整車風(fēng)阻系數(shù)有很大的貢獻(xiàn),但削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板開(kāi)孔的導(dǎo)流降溫功能。因此,在安裝氣壩時(shí)應(yīng)綜合考慮其帶來(lái)的影響。
(2)通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板造型,在氣壩后方加裝擋板,減小分離區(qū),可以降低氣壩帶來(lái)的對(duì)氣流的不利影響,降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分區(qū)域的環(huán)境溫度,且不影響整車風(fēng)阻系數(shù)。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證,該優(yōu)化方案為關(guān)注區(qū)域帶來(lái)近10 ℃的降溫貢獻(xiàn)。