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        商用車發(fā)動機艙流場仿真與風罩優(yōu)化設計*

        2021-08-31 03:21:38許佩佩
        汽車工程 2021年8期

        石 巖,李 耀,許佩佩

        (1.徐州徐工汽車制造有限公司技術中心,徐州221600;2.南京航空航天大學民航/飛行學院,南京210016)

        前言

        隨著排放標準的升級,重型商用車所匹配的國六柴油發(fā)動機的散熱量相對于國五柴油機顯著提升。而考慮美觀性、舒適性,前置商用車進氣格柵面積與機艙空間被設計的越來越?。?]。同時,為了提升動力性、經(jīng)濟性、舒適性,更多的發(fā)熱設備置于機艙內,這些都對商用車的冷卻性能提出了更高的要求。因此,對機艙內氣流的引導和流場特性研究很有必要,也逐漸成為商用車冷卻系統(tǒng)設計的一項重要工作。

        計算流體力學(computational fliud dynamics,CFD)的應用,使仿真技術成為一種快速、有效的研究手段[2],國內外研究人員已利用該技術開展了大量的研究工作。

        唐榮江等[3]對商用車冷卻風扇進行了研究,通過對風扇的優(yōu)化,將風扇噪聲降低2.7 dB。于淼淼等[4]在護風圈選型方向開展了大量工作,得出了護風圈關鍵因子與風量的關系。Patidar等[5]利用CFD技術對冷卻模塊的優(yōu)化進行了相關研究。郭健忠等[6]利用一維/三維聯(lián)合仿真模擬機艙熱管理,并開展了道路試驗對標工作。

        大多數(shù)的研究工作適合于新車型設計階段開展,而對于已開發(fā)車型,須在設計變動較小的情況下,有效提升冷卻性能。本文中在已開發(fā)車型的標配護風圈基礎上增添一個導流罩,并通過CFD技術研究其結構參數(shù)對冷卻風量與熱風回流量的影響,確定最優(yōu)結構型式,并通過道路試驗驗證了方案的有效性。

        1 整車CFD仿真

        整車氣動性能標定在吉林大學汽車風洞實驗室進行。試驗使用1/4縮比模型,如圖1所示,建立相應的仿真分析模型,如圖2所示,試驗測點布置見圖3。仿真得到的風阻系數(shù)與風洞測試結果誤差低于2%,圖4為沿車身長度方向表面壓力系數(shù)CP仿真與試驗結果的對比。由圖可見,兩者高度吻合,說明計算精度滿足工程要求,所采用的模型和方法可用來對發(fā)動機艙的流場進行仿真。

        圖1 整車1/4縮比模型

        圖2 仿真分析模型

        圖3 測點布置圖

        圖4 表面壓力系數(shù)圖(中對稱面)

        2 機艙流場CFD仿真

        2.1 控制方程

        機艙內冷卻空氣流速較低,溫度區(qū)間內密度變化較小,因此,流場內空氣可視為不可壓縮狀態(tài),控制方程選用三維不可壓縮N-S方程。由于冷卻風扇工作狀態(tài)時的旋轉抽吸作用引起的湍流和高旋度物理效應,故選用κ-ε湍流模型進行模擬[7],數(shù)學模型從略。

        2.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

        圖5和圖6分別為牽引車的仿真模型及其機艙流場仿真模型局部放大網(wǎng)格圖。保留機艙內零部件,去除遮陽板等對冷卻風量計算影響較小的零部件,車架縱梁減重孔封閉,其他影響較小的管線路等去除,以降低網(wǎng)格數(shù),提升計算效率。網(wǎng)格尺寸:前格柵為1~2 mm,空調冷凝器、中冷器、散熱器和散熱風扇等為4~8 mm,車身其他位置與車架等部件為8~16 mm網(wǎng)格尺寸,遠場網(wǎng)格尺寸為200 mm,建立4層加密區(qū)域,邊界層網(wǎng)格數(shù)為3層,邊界層網(wǎng)格厚度為1 mm,體網(wǎng)格數(shù)量共約2 100萬。

        圖5 牽引車仿真模型

        圖6 機艙仿真模型局部放大網(wǎng)格

        2.3 仿真結果

        采用軟件Starccm+進行CFD仿真,原機(帶標配護風圈)機艙氣流仿真結果如圖7所示。

        圖7 原機機艙氣流流線圖

        可以看出,冷卻風經(jīng)冷凝器、中冷器和散熱器加熱后由風扇末端流出,由于受風扇旋轉效應和發(fā)動機前端的撞擊作用,反向流向散熱器上部及其左右側。受風扇前后壓差的作用,回流再次進入冷卻系統(tǒng),圖8更清楚地示出熱風回流的情形。氣流依次循環(huán),導致較差的冷卻效果。

        圖8 熱風回流示意圖

        3 導流罩設計與優(yōu)化

        為解決熱風回流問題,改善冷卻效果,在原標配護風圈的基礎上,增添一段導流罩,其示意圖如圖9所示。

        圖9 導流罩剖面示意圖

        整個導流罩剖面分為A、B段。因風扇與散熱器距離固定,故b為定值120 mm;內徑d也為定值775 mm;a、h、H為可變參數(shù)。

        初始設計方案為:a=90 mm,b(定值)=120 mm,H=83 mm,h=0。通過調節(jié)a、h、H3個可變元素,共設計14種方案進行對比分析。

        3.1 h因子影響性

        h因子主要涉及導流罩B段的斜角。以5 mm為間隔,調整h因子大小,計算結果如圖10和圖11所示。

        圖10 h因子對冷卻風量的影響

        圖11 h因子對熱風回流量的影響

        由圖10可見:導流罩B段由下壓至水平,再至上翹的過程中,隨著h的增大,冷卻風量呈先減少后增大,最后平穩(wěn),雖在h=5 mm時,冷卻風量有個最大值,但數(shù)據(jù)變化量很小,差別不足1%;由圖11可見,隨著h的增大,熱風回流量呈現(xiàn)先減小后持續(xù)增大的趨勢,h=0時,熱風回流量最小。

        3.2 H因子的影響

        H因子主要影響A段的斜角。在原有基礎上,H因子增大15 mm,計算結果顯示,冷卻風量提升僅0.3%,熱風回流量僅降低0.2%。因負方向調整空間有限,故不作調整。

        3.3 a因子的影響

        a因子影響A段長度和B段的長度和斜角。以10 mm為間隔,調整a因子長度值,計算結果如圖12和圖13所示。

        由圖12和圖13可見:其他量不變時,a因子存在最優(yōu)值,當a為60 mm時,冷卻風量提升的同時,伴隨較少的熱風回流現(xiàn)象。

        圖12 a因子對冷卻風量的影響

        圖13 a因子對熱風回流量的影響

        綜合考慮空間布置和散熱性能,導流罩各參數(shù)選定為:a=60 mm、H=98 mm、h=0,仿真得到的機艙氣流流線圖如圖14所示。與圖7對比可見,增加導流罩后,熱風回流現(xiàn)象得到較好的抑制,熱風回流量降低約40.45%,并伴有冷卻風量提升約2%的效果。

        圖14 加裝導流罩后的流線圖

        3.4 風扇速比提升的影響

        為對比導流罩的效果,同時對風扇速比提升的影響做了一定的分析,計算結果如圖15和圖16所示。

        圖15 不同風扇速比下的冷卻風量

        圖16 不同風扇速比下的熱風回流量

        計算結果表明:冷卻風量和熱風回流量都隨著風扇速比增大而提升。冷卻風量提升所帶來的散熱性能提升會被熱風回流現(xiàn)象而抵消。

        為進一步驗證導流罩、風扇速比對散熱性能的提升效果,通過熱平衡道路試驗予以驗證。

        4 試驗驗證

        4.1 模型設計與試制

        按照計算方案確定的參數(shù),繪制基本模型,根據(jù)原車狀態(tài),預留水管和氣管通道。表面設置加強筋以增強結構強度,采用3D打印技術快速成型,數(shù)模和試裝如圖17和圖18所示。

        圖17 導流罩數(shù)模

        圖18 快成件試裝

        4.2 道路測試與結果分析

        按照圖19所示位置安裝溫度傳感器,試驗樣車用牽引繩拖帶一輛礦用載貨車連接,如圖20所示。樣車使用2擋牽引行駛,礦用車按要求適應行駛,逐漸加載,樣車油門踩到底時,發(fā)動機轉速穩(wěn)定在最大轉矩點轉速。試驗過程中樣車保持勻速直線行駛,連續(xù)5 min各冷卻介質溫度與環(huán)境溫度的差值不再變化時,車輛達到熱平衡,停止試驗,保存各參數(shù)數(shù)據(jù)(雙向分別行駛,取平均值),試驗結果如表1所示。

        圖19 傳感器安裝位置

        圖20 熱平衡試驗

        表1 道路測試結果 ℃

        風扇速比由1.218提升至1.3,極限環(huán)境使用溫度僅提升1.9℃。分析原因:雖冷卻風量大幅提升,但熱風回流量同步提升,導致進風品質下降(冷凝器前部溫度較環(huán)境溫度仍高6℃以上),且伴有功耗增大、風扇離合器壽命降低的風險。

        所設計的導流罩具有較好的導流效果,回流區(qū)溫度較環(huán)境溫度僅高2℃左右,許用極限環(huán)境溫度提升3.4℃,冷卻效果提升較理想,且對功耗和相關附件使用壽命無影響。

        5 結論

        (1)利用數(shù)值模擬技術可以快速、有效地進行機艙流場特性研究和散熱性能的優(yōu)化,從而降低車輛在大轉矩工況下水溫過高引起的“開鍋”風險。

        (2)熱風回流現(xiàn)象嚴重影響車輛散熱性能,需要抑制風扇末端熱風返流現(xiàn)象,增添導流罩能較好地引導熱風流向車輛后方區(qū)域,從而提升散熱性能。

        (3)導流罩的效果受多個結構參數(shù)的影響,通過試驗設計匹配CFD技術,可快速得到較優(yōu)方案。

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