賴晨光，唐 琳,，譚禮斌，黃 燦

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054；2.隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心， 重慶 400039)

摩托車作為常用的出行交通工具之一，其方便實(shí)用性是人們選擇該產(chǎn)品的重要原因。但隨著生活品質(zhì)的提高和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高排量高性能的摩托車開始備受廣大摩旅愛好者的青睞。然而，高排量高性能摩托車對其冷卻系統(tǒng)的匹配及設(shè)計(jì)提出了相對更高的要求。目前常規(guī)的設(shè)計(jì)方式主要是依賴于工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種方式很難在較短時(shí)間內(nèi)獲取較優(yōu)的工程設(shè)計(jì)，開發(fā)周期難以保障[1-2]。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)開發(fā)成本的劇增和高性能計(jì)算機(jī)的廣泛運(yùn)用，基于虛擬數(shù)值仿真的開發(fā)技術(shù)逐漸受到工程機(jī)械領(lǐng)域的青睞。其中，采用CFD仿真分析方法對摩托車、發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器及相關(guān)零部件進(jìn)數(shù)值分析，可快速獲取實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法直觀獲取的流動(dòng)細(xì)節(jié)信息，可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師提供全面的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和仿真數(shù)據(jù)支撐[3-10]。如余秋蘭等[11]采用CFD技術(shù)對摩托車排氣管內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，依據(jù)速度及壓力分布情況合理選擇了排氣管內(nèi)部催化器的安裝位置，為尾氣凈化裝置設(shè)計(jì)提供了理論參考。束奇等[12]采用Solidworks中flow simulation插件對摩托車氣流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為摩托車造型優(yōu)化和改良提供了理論指導(dǎo)。JANG等[13]采用CFD技術(shù)研究了摩托車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中熱流體流動(dòng)狀態(tài)，為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化思路。由此可見，采用CFD技術(shù)進(jìn)行工程機(jī)械產(chǎn)品流體仿真分析，可對流體細(xì)節(jié)進(jìn)行針對性探究及細(xì)節(jié)優(yōu)化，快速獲取并評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本。

目前常用的商業(yè)CFD求解軟件較多，均各有優(yōu)勢。本文選擇的STAR-CCM+求解軟件具有較高的集成度，可在軟件界面里完成幾何前處理、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解及結(jié)果后處理等操作，快速便捷地獲取流場分析結(jié)果[14-15]?；诖?，STAR-CCM+流體仿真分析軟件已在整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、零部件等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[16-19]。

摩托車駕駛性能與整車散熱性密切相關(guān)。為避免摩托車在整車駕駛過程中出現(xiàn)因散熱不好而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高所帶來的高排放、低功率、以及零部件局部熱害等問題，本文以某摩托車為研究對象，采用 CFD 分析軟件 STAR-CCM+對整車速度場特性及關(guān)鍵部件的溫度場特性進(jìn)行模擬分析，評估該摩托車整車流場及關(guān)鍵部件表面速度場及溫度場的合理性，并依據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行針對性地結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，提升摩托車整車散熱性能，保證摩托車整車良好的駕駛性能。研究結(jié)果可為摩托車整車零部件設(shè)計(jì)及開發(fā)提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。

1 整車CFD 分析

1.1 物理模型

該越野摩托車的3D模型是采用CATIA 軟件按照摩托車樣車實(shí)物以 1∶1比例繪制獲得，導(dǎo)入STAR-CCM+軟件后如圖1所示。圖2為前進(jìn)風(fēng)格柵與油冷器位置示意圖。本文采用STAR-CCM+軟件中布爾減(Boolean subtract)的功能進(jìn)行整車計(jì)算流體域的提取，并選取軟件自帶的多面體網(wǎng)格類型與邊界層網(wǎng)格類型完成網(wǎng)格劃分，整車流體域總體網(wǎng)格量約為2 100萬，固體域總體網(wǎng)格約為340萬，完成后的計(jì)算域網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 前進(jìn)風(fēng)格柵與油冷器位置示意圖

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

流體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。數(shù)值求解中因涉及溫度場，所以流動(dòng)控制方程如下：

1) 連續(xù)方程[20]

(1)

2) 動(dòng)量方程(N-S方程)[20]

(2)

式中：ui、uj為平均速度分量(m/s);xi、xj為坐標(biāo)量(m);p為流體微元體上的壓力(Pa);μeff是湍流有效黏性系數(shù)。

3) 能量守恒方程[20]

(3)

式中：ρ為密度(kg/m3);t為時(shí)間(s);u、v、w為速度矢量v在x、y、z方向上的分量(m/s)；c為流體的比熱(J/(kg·K))；k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；T為流體溫度(℃)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分(J)。

湍流模型采用的是Realizablek-ε湍流模型[20]：

(4)

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率相對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng)。

采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行整車底盤臺架的流場特性模擬，其邊界條件的相關(guān)設(shè)置如下：

1) 流體邊界條件：介質(zhì)為 25 ℃空氣，計(jì)算域進(jìn)口為風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，按常用工況車速60 km/h給定速度進(jìn)口邊界；計(jì)算域出口為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，采用壓力出口邊界；其余為壁面邊界，壁面采用 Two-layer All Y+ Wall Treatment 模型，為無滑移壁面條件；湍流計(jì)算模型選擇為k-ε兩方程湍流模型，壓力、速度耦合采用SIMPLE算法，采用壓力基求解器(Pressure-Based)求解；

2) 固體邊界條件：固體壁面邊界為常用的經(jīng)驗(yàn)值和缸內(nèi)燃燒平均值給定，能量模型選擇定常固體能量模型[9]。缸內(nèi)燃燒熱邊界條件如圖4所示，各燃燒熱邊界編號對應(yīng)的熱邊界名稱及邊界條件設(shè)置值(溫度、換熱系數(shù))如表1所示。

圖4 缸內(nèi)燃燒熱邊界示意圖

表1 熱邊界條件參數(shù)設(shè)置

2 整車外流場 CFD 仿真結(jié)果

2.1 風(fēng)量對比分析

圖5為原狀態(tài)與無前進(jìn)風(fēng)格柵方案的油冷器風(fēng)量對比情況，原狀態(tài)相比去掉前進(jìn)風(fēng)格柵方案，其油冷器風(fēng)量下降了70.4%，不利于油冷器的散熱，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度急劇升高，整車存在熱負(fù)荷較高的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 油冷器風(fēng)量直方圖

2.2 速度場分析

圖6、7為原狀態(tài)與無前進(jìn)風(fēng)格柵方案的油冷器縱截面速度矢量云圖?？梢悦黠@看出,由于前進(jìn)風(fēng)格柵的阻擋，使通過油冷器的冷卻氣流速度分布明顯變?。欢矣捎谠瓲顟B(tài)的前進(jìn)風(fēng)格柵形狀結(jié)構(gòu)的影響，在格柵與油冷器之間發(fā)生了氣流滯留現(xiàn)象，引起了多處局部渦流，增加了流動(dòng)阻力，從而降低了油冷器散熱能力，不利于整車的冷卻散熱。

圖7 原狀態(tài)的油冷器縱截面速度矢量云圖

2.3 溫度場分析

圖8為原狀態(tài)與無前進(jìn)風(fēng)格柵方案的缸頭缸體表面溫度分布云圖。相比去掉前進(jìn)風(fēng)格柵，原狀態(tài)的進(jìn)風(fēng)格柵使導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭的風(fēng)量明顯減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭與冷卻自然風(fēng)的對流換熱變差，升溫較大。

圖8 缸頭缸體表面溫度分布云圖

3 前進(jìn)風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原因分析及優(yōu)化策

通過對原狀態(tài)與去掉前進(jìn)風(fēng)格柵方案的整車底盤臺架流場對比分析，發(fā)現(xiàn)由于前進(jìn)風(fēng)格柵的阻擋，使流向油冷器及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻氣流風(fēng)量驟然減小，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及缸頭溫度均有所上升，不利于整車?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱。故考慮對前進(jìn)風(fēng)板格柵的形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以增加前進(jìn)風(fēng)板格柵和油冷器的通風(fēng)面積為優(yōu)化思路，以提升流向油冷器、發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)量以及改善前進(jìn)風(fēng)板格柵與油冷器之間的局部渦流現(xiàn)象為優(yōu)化目標(biāo)，如圖9、10所示。

圖9 前進(jìn)風(fēng)板格柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路示意圖

圖10 各方案油冷器的通風(fēng)面積直方圖

為了同時(shí)保證造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，總共提出了4種優(yōu)化方案，如圖11所示。

圖11 各前進(jìn)風(fēng)格柵方案示意圖

1) 優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2、優(yōu)化方案3均在初始方案的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，整體結(jié)構(gòu)變化較小。

2) 優(yōu)化方案4是以某汽車前進(jìn)氣格柵為設(shè)計(jì)靈感而全新設(shè)計(jì)的前進(jìn)風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)方案，能更好地將氣流導(dǎo)向油冷器和發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭表面。

3.2 優(yōu)化效果對比

圖12為各優(yōu)化方案與原狀態(tài)油冷器風(fēng)量。通過對比可知，各優(yōu)化方案的油冷器風(fēng)量均有顯著提升，其中最優(yōu)方案4油冷器風(fēng)量提升了118%，能更好地通過與油冷器的對流換熱帶走發(fā)動(dòng)機(jī)多余的熱量，降低整車熱負(fù)荷高的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 油冷器風(fēng)量直方圖

圖13為原狀態(tài)與優(yōu)化方案3、4的油冷器橫截面速度分布云圖。可通過對比得出，2個(gè)優(yōu)化方案的油冷器速度分布改善顯著，且方案4較方案3速度梯度分布更大，但略為不均勻；從圖14、15可以看出，方案3、4均改善了原狀態(tài)進(jìn)風(fēng)格柵與油冷器之間的氣流渦旋現(xiàn)象，降低了內(nèi)流阻力，且方案4的進(jìn)風(fēng)格柵導(dǎo)葉處的風(fēng)量分布更大且均勻，將更多的冷卻風(fēng)量導(dǎo)向了油冷器以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭，更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。

圖13 油冷器橫截面速度分布云圖

圖14 油冷器縱截面速度矢量云圖

圖15 缸頭缸體表面溫度分布云圖

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案與仿真結(jié)果的可靠性，分別在試驗(yàn)室進(jìn)行了原狀態(tài)與優(yōu)化方案4的整車熱平衡臺架試驗(yàn)(如圖16所示)，主要測量發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡后的機(jī)油溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞墊片溫度(缸溫)。試驗(yàn)時(shí)需要的輔助設(shè)備有：溫度及壓力傳感器、流量計(jì)、數(shù)采儀、筆記本、K型熱電偶、熱電偶適配器等。測試步驟大致分為：① 確認(rèn)整車裝配狀態(tài)，車身前端各部件連接布置須符合整車實(shí)際使用情況，車輛能正常啟動(dòng)或熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)無異常；② 布置水溫傳感器位于發(fā)動(dòng)機(jī)出水口，測試發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，數(shù)采連接機(jī)油溫度、火花塞墊片溫度；③ 底盤臺架及風(fēng)機(jī)控制：按照測試工況給定發(fā)動(dòng)機(jī)油門100%，轉(zhuǎn)速由臺架轉(zhuǎn)轂調(diào)節(jié)給定，保證發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)維持目標(biāo)工況下油門、轉(zhuǎn)速情況；④ 數(shù)采實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力、機(jī)油溫度、火花塞溫度變化情況，若發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡(5 min內(nèi)水溫變化小于0.5 ℃)，則記錄數(shù)據(jù)。整個(gè)測試完成了最高車速、最大功率及最大出力點(diǎn)等3個(gè)工況點(diǎn)的熱平衡試驗(yàn)，基本都在30 min左右達(dá)到熱平衡，記錄相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)結(jié)果，如表2、3所示。

圖16 整車熱平衡臺架布置

表2 原狀態(tài)的整車熱平衡臺架試驗(yàn)結(jié)果

表3 優(yōu)化方案4的整車熱平衡臺架試驗(yàn)結(jié)果

通過對比試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化方案4較原狀態(tài)的機(jī)油溫度在3個(gè)工況點(diǎn)下分別下降了16.5、15、14.1 ℃，缸溫在3個(gè)工況點(diǎn)下分別下降了20.4、20.8、24.4 ℃，優(yōu)化效果顯著，且已滿足在各種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度小于135 ℃、缸溫小于250 ℃的要求。

4 結(jié)論

1) 原狀態(tài)的進(jìn)風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)格柵與油冷器之間存在多處局部渦流現(xiàn)象，增加了局部內(nèi)流阻力，且進(jìn)風(fēng)格柵通風(fēng)面積較小，使通向油冷器的冷卻風(fēng)量偏小，增加了整車熱負(fù)荷高的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 通過改變前進(jìn)風(fēng)格柵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)增大通風(fēng)面積，使優(yōu)化后的整車流場得到明顯的改善，通過油冷器的冷卻風(fēng)量提升118%，從而更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻散熱。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 最優(yōu)方案4在各種工況下均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度小于135 ℃、缸溫小于250 ℃的要求。

3) 總體上來看，優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)格柵已能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求。后續(xù)可嘗試搭建進(jìn)風(fēng)格柵的參數(shù)化建模與數(shù)值聯(lián)合仿真的計(jì)算方法，研究進(jìn)風(fēng)格柵導(dǎo)葉不同的角度以及通風(fēng)面積大小對散熱的影響，進(jìn)行參數(shù)化尋優(yōu)，從而獲得最佳的冷卻散熱方案。