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        基于一維/三維耦合分析的某MPV整車熱管理分析與優(yōu)化

        2022-06-16 14:18:32胡錫挺
        裝備制造技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:爬坡表面溫度冷卻系統(tǒng)

        胡錫挺

        (東風(fēng)柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545005)

        0 引言

        隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈,對(duì)汽車的性能有了更高要求。成本低效率高的仿真手段普遍應(yīng)用到車輛的設(shè)計(jì)研發(fā)中。其中整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置零部件較多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,發(fā)動(dòng)機(jī)在艙內(nèi)形成高溫環(huán)境,容易會(huì)影響其他部件性能。艙內(nèi)各部件的布置不合理會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源部件在局部形成過(guò)熱環(huán)境,使部分零部件性能下降,發(fā)生失效、自燃等影響整車的可靠性能、安全性能。所以,為了保證汽車高效可靠運(yùn)行,在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)前期,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理系統(tǒng)研究,進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以及布置是非常重要的[1]。

        通過(guò)一維/三維結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用,以某MPV的發(fā)動(dòng)機(jī)艙為研究對(duì)象,分析零部件的熱害以及匹配冷卻散熱模塊,通過(guò)結(jié)果分析,評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)并提出優(yōu)化方案以及再次仿真分析,最后通過(guò)臺(tái)架進(jìn)行熱平衡試驗(yàn),驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果。

        1 模型建立及分析

        1.1 三維模型建立與機(jī)艙流場(chǎng)分析

        發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的主要分析對(duì)象為其艙內(nèi)的零部件,為了提高效率,清除不必要的特征,刪掉了乘員艙的零部件[2],嚴(yán)格控制好幾何邊界。同時(shí),為了真實(shí)反映氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件下的流動(dòng)特性,需要盡可能保證機(jī)艙內(nèi)的零部件功能正常發(fā)揮,本研究最大限度保留原有各零部件完成模型,如圖1、2所示。從分析角度考慮,需要對(duì)冷卻模塊進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,芯體部分使用方體替換;在建立三維仿真計(jì)算域時(shí),虛擬風(fēng)洞的阻塞效應(yīng)和洞壁干擾對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不能忽略,應(yīng)同步考慮[3],通過(guò)在star ccm+建立計(jì)算域(圖3),生成網(wǎng)格并完成計(jì)算。

        圖1 整車3D模型1

        圖2 整車3D模型2

        圖3 計(jì)算域示意圖

        主要仿真模擬怠速、爬坡和高速3個(gè)工況,簡(jiǎn)化的冷卻模塊設(shè)置為多孔介質(zhì)模型,風(fēng)扇使用MRF模型進(jìn)行模擬,完成計(jì)算得到如圖4至圖6的結(jié)果。

        圖4 中冷器風(fēng)速分布圖

        圖5 冷凝器風(fēng)速分布圖

        圖6 散熱器風(fēng)速分布圖

        圖4至圖6是冷卻模塊表面的在各個(gè)工況下的風(fēng)速分布圖,平均風(fēng)速見表1。主要受到冷卻系統(tǒng)的排布以及艙內(nèi)布置位置的影響,對(duì)風(fēng)速的分布情況的掌握才能合理布置艙內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)部件。

        表1 冷卻系統(tǒng)的平均風(fēng)速(m/s)

        計(jì)算得到的冷卻模塊各部件的風(fēng)量分配(表2)為進(jìn)一步分析提供了數(shù)據(jù)。

        表2 冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量情況(m3/s)

        1.2 整車一維仿真

        按圖7的原理一維冷卻系統(tǒng)原理建立仿真模型,主要計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一些宏觀參數(shù),包括冷卻部件的散熱功率、平衡水溫、冷卻液流量及分布、風(fēng)的溫度等;根據(jù)表2的風(fēng)量分布情況,結(jié)合格柵開口率為16.1%,分析冷卻系統(tǒng)性能。結(jié)果見表3。在怠速、爬坡、高速3種工況下系統(tǒng)平衡水溫分別為79.48℃、111℃、103.6℃。冷卻系統(tǒng)各零部件冷卻液流量分配見表4,在怠速工況,系統(tǒng)的流量為6.5 L/min,按照經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)在怠速工況下的流量一般在20 L/min左右,所以此工況下系統(tǒng)流量偏小。在爬坡和高速工況下,節(jié)溫器全開,而根據(jù)經(jīng)驗(yàn),暖風(fēng)芯體在節(jié)溫器全開時(shí),通過(guò)的水量是總量的10%~20%,從表4中數(shù)據(jù)可以看出,通過(guò)暖風(fēng)機(jī)的水量基本合理。表5為通過(guò)、中冷器、冷凝器、散熱器后的空氣溫度情況,由數(shù)據(jù)可知,產(chǎn)生的最高溫度是爬坡工況下通過(guò)散熱器后的空氣溫度103.5℃,散熱器的出風(fēng)溫度合理。

        表3 各工況下的平衡水溫

        表4 各部件的水流量

        圖7 冷卻原理圖

        表5 冷卻系統(tǒng)各部件后風(fēng)溫

        2 整車三維熱害分析及優(yōu)化

        通過(guò)以上分析可知,汽車行駛中溫度比較惡劣的情況出現(xiàn)在爬坡工況,因此分別模擬了40 km/h、120 km/h兩種車速下的爬坡工況,使用臺(tái)架數(shù)據(jù)以及一維仿真結(jié)果作為輸入條件參數(shù),通過(guò)三維仿真,分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)情況,對(duì)存在熱害的零部件提出優(yōu)化方案,再次仿真計(jì)算,得到優(yōu)化后結(jié)果。

        通過(guò)計(jì)算得到艙內(nèi)各零部件的三維溫度場(chǎng)分析結(jié)果見表6,由表中數(shù)據(jù)可知,超溫情況主要發(fā)生在低速爬坡工況,前圍制動(dòng)油管及管夾、發(fā)動(dòng)機(jī)線束、暖風(fēng)水管以及空調(diào)管部件等表面溫度超過(guò)極限溫度。

        結(jié)合表6,由圖8可知,在爬坡工況下前圍制動(dòng)油管及管夾表面的溫度達(dá)到了133℃,不滿足其許用最高極限溫度120℃,存在熱害風(fēng)險(xiǎn),從溫度分布位置可判斷制動(dòng)油管表面的高溫來(lái)自于排氣系統(tǒng)的輻射。由圖9可知,發(fā)動(dòng)機(jī)線束表面溫度達(dá)到135℃,超過(guò)了其許用溫度100℃,存在熱害風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合周圍空氣溫度分布情況分析,主要受到排氣管的輻射導(dǎo)致局部超溫。由圖10可知,暖風(fēng)水管表面溫度達(dá)到138℃,超過(guò)了其許用溫度130℃,存在熱害風(fēng)險(xiǎn),從溫度分布知表面熱源來(lái)自周圍空氣換熱以及排氣管輻射。由圖11可知,空調(diào)管局部表面溫度超過(guò)了其許用溫度110℃,達(dá)到153℃,存在熱害風(fēng)險(xiǎn)。

        表6 三維熱害分析結(jié)果

        圖8 前圍制動(dòng)油管及管夾表面溫度分布

        圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度分布

        圖10 暖風(fēng)水管表面溫度分布

        圖11 空調(diào)管表面溫度分布

        3 優(yōu)化方案

        根據(jù)三維溫度場(chǎng)的分析結(jié)果,對(duì)超溫部件做出優(yōu)化方案(圖12至圖15),避免發(fā)生整車熱害風(fēng)險(xiǎn):

        (1)對(duì)前圍制動(dòng)油管及管夾表面超溫部位包覆鋁箔,以降低熱輻射的影響。

        (2)發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)線束表面高溫來(lái)自排氣管高溫輻射,在渦輪增壓上方增加隔熱罩,同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)線束的位置重新布置或者局部包覆鋁箔。

        (3)在暖風(fēng)水管局部位置包覆鋁箔可以達(dá)到排除熱害的目的。

        (4)由于空調(diào)管表面的高溫氣體主要來(lái)自于流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的熱空氣,對(duì)高溫局部表面包裹鋁箔,隔絕外部氣溫的影響,可達(dá)到降溫目的。

        圖12 前圍制動(dòng)油管及管夾溫度分布

        圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)線束表面溫度分布

        圖14 暖風(fēng)水管表面溫度分布

        圖15 空調(diào)管表面溫度分布

        由表7可知,經(jīng)優(yōu)化后前圍制動(dòng)油管及管夾、發(fā)動(dòng)機(jī)線束、暖風(fēng)水管、空調(diào)管等存在熱害風(fēng)險(xiǎn)的零部件的最高極限溫度,降低到了許用最高極限溫度范圍內(nèi),可以認(rèn)為優(yōu)化后方案滿足整車熱管理要求。

        表7 優(yōu)化前、后的結(jié)果對(duì)比

        4 熱平衡試驗(yàn)及試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比

        為了檢測(cè)實(shí)際工況下整車各零部件的工作溫度范圍,本次利用試驗(yàn)樣車開展了相應(yīng)的環(huán)境模擬的熱平衡試驗(yàn),同時(shí)驗(yàn)證整車?yán)鋮s散熱能力是否滿足要求,以及仿真結(jié)果的可行性,避免整車發(fā)生熱害風(fēng)險(xiǎn)影響汽車性能。樣車在環(huán)模模擬實(shí)驗(yàn)室分別以三種工況(怠速、勻高速和爬坡)進(jìn)行試驗(yàn)(圖16至圖18)。爬坡:環(huán)境溫度設(shè)置為40℃,試驗(yàn)車以二擋(手動(dòng)擋)或者40 kph的車速爬10%坡,水溫達(dá)到平衡或者30 min后,熄火靜置,所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和各零部件溫度。怠速:在45℃的環(huán)境下,以50 km/h車速行駛20 min后停車,怠速運(yùn)行至水溫平衡后熄火靜置,所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和各零部件溫度。勻高速:在45℃的環(huán)境下以140 km/h車速至水溫平衡或者30 min后熄火靜置,所有測(cè)點(diǎn)溫度不再上升后記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫和各零部件溫度。圖19所示是爬坡工況的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線,浸置后水溫平衡至111℃,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)限值要求。

        圖16 試驗(yàn)室布局

        圖17 試驗(yàn)臺(tái)架

        圖18 發(fā)動(dòng)機(jī)周圍布置

        圖19 爬坡工況發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線

        實(shí)車熱平衡試驗(yàn)部分零部件試驗(yàn)值見表8,試驗(yàn)數(shù)據(jù)為前期仿真結(jié)果提供了驗(yàn)證依據(jù),從試驗(yàn)結(jié)果跟仿真結(jié)果的對(duì)比上看,仿真結(jié)果值與試驗(yàn)結(jié)果值一致性較高,可見,一維與三維耦合分析方法是可行的。

        表8 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

        5 結(jié)論

        (1)利用仿真軟件,通過(guò)分析在設(shè)計(jì)前期預(yù)測(cè)散熱風(fēng)險(xiǎn)的存在,并進(jìn)行了優(yōu)化,對(duì)優(yōu)化后的整車進(jìn)行熱平衡試驗(yàn),通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比表明,在爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡水溫111℃,滿足了設(shè)計(jì)要求,優(yōu)化的方案的有效果,可以達(dá)到降低零部件熱害風(fēng)險(xiǎn)目的。

        (2)在設(shè)計(jì)開發(fā)階段,使用一維/三維仿真分析方法可以預(yù)測(cè)機(jī)艙的溫度情況,有利于整車?yán)鋮s散熱模塊的性能匹配,合理布置各系統(tǒng),有效規(guī)避熱害風(fēng)險(xiǎn)。

        (3)通過(guò)仿真分析跟樣車試驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果,驗(yàn)證了一維/三維仿真手段的可靠性和精確度,在設(shè)計(jì)開發(fā)階段合理應(yīng)用可以縮短開發(fā)周期,降低成本,提高工作效率。

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