汽車熱管理瞬態(tài)分析與應(yīng)用

陳鴻明，武亞嬌，華益新，楊雪松

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

前言

目前國內(nèi)較多整車熱管理仿真計(jì)算是針對穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行，采用的方法是依據(jù)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果再加上一些工程經(jīng)驗(yàn)對整車熱性能做出整體判斷[1-2]，而對于某些較為復(fù)雜的瞬態(tài)工況(例如發(fā)動機(jī)怠速和熄火之后的過程)并不能進(jìn)行合理的評估[3]，導(dǎo)致無法在開發(fā)前期準(zhǔn)確預(yù)測該零件的耐熱特性是否滿足設(shè)計(jì)要求。零件承受的溫度和在該溫度下所經(jīng)受的時(shí)間是制約零件使用壽命的兩個(gè)關(guān)鍵因素，所以整車熱分析不僅要計(jì)算出零件可能承受的溫度，同時(shí)也要準(zhǔn)確推斷出在該溫度下能正常工作的時(shí)間，這樣才能準(zhǔn)確計(jì)算出零件在整車上的使用壽命。本文中采用瞬態(tài)熱分析軟件RadTherm，對車輛在經(jīng)歷惡劣工況后的熄火過程進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算，準(zhǔn)確模擬出該過程受熱零件的溫度變化和持續(xù)時(shí)間，從而為零件的使用壽命評估提供依據(jù)。

1 瞬態(tài)工況計(jì)算方法

1.1 瞬態(tài)工況

本文中所描述的瞬態(tài)工況類似在山路上的爬坡過程，即以某一穩(wěn)定速度爬過固定坡度的坡道，然后熄火停車。在此過程中，勻速爬坡行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)前艙主要的傳熱方式為強(qiáng)迫對流換熱和輻射傳熱，冷卻風(fēng)扇處于最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火時(shí)，前艙空氣流動轉(zhuǎn)為自然對流換熱和輻射傳熱，冷卻風(fēng)扇處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)動機(jī)前艙內(nèi)排氣管溫度不會瞬間降低，而是有一個(gè)緩慢降溫的過程。在這個(gè)過程中其周圍零件受到來自排氣管的持續(xù)烘烤，而沒有強(qiáng)迫對流對其進(jìn)行冷卻，零件溫度會在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，并持續(xù)一段時(shí)間之后才會下降。由于各零件與排氣管的距離和本身材料屬性的不同會導(dǎo)致各個(gè)零件的溫升數(shù)值和持續(xù)時(shí)間不同，RadTherm主要是對此溫升過程進(jìn)行仿真計(jì)算，得到受熱零件的溫度變化曲線，從而根據(jù)零件的溫度要求來判斷該零件在溫升過程中是否能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1為某一前艙零件在進(jìn)行整車熱性能試驗(yàn)之后的溫度曲線。從圖中看出，該零件在爬坡過程中溫度沒有超過其材料自身溫度限值，但在熄火之后，溫度超過溫度限值并持續(xù)一段時(shí)間，零件這種超過耐溫限值的狀態(tài)稱為熱疲勞狀態(tài)，長時(shí)間處于這種狀態(tài)會導(dǎo)致零件失效，影響車輛行駛安全。因此采用RadTherm軟件在開發(fā)前期對可能遇到的惡劣工況進(jìn)行仿真分析計(jì)算，確定零件耐溫特性是否滿足整車熱性能要求就顯得非常重要。

1.2 RadTherm計(jì)算理論[4]

RadTherm通過求解能量方程和熱輻射封閉方程得出控制方程。首先，RadTherm遵循熱力學(xué)第一定律，能量在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中總和不變，有

(1)

式中：E為系統(tǒng)內(nèi)能；Q為熱量。

將式(1)展開可得到

(2)

式中：m為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；T為節(jié)點(diǎn)溫度；Cp為材料的等壓比熱容；Qconv、Qcond和Qrad分別為節(jié)點(diǎn)通過熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射3種傳熱方式所吸收的熱量；Qimposed為節(jié)點(diǎn)所吸收的外部熱源(如太陽能或者電能)熱量。用傳熱學(xué)理論將Qconv和Qcond展開，可得k節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)能量方程為

Qradk+Qimpk

(3)

式中：hk為對流換熱系數(shù)；Ak為接受對流換熱和熱傳導(dǎo)的面積；Tf為周圍流體的來流溫度；kkj為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Akj為k節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)之間的接觸面積；Lkj為k節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)之間的距離。Qradk為輻射項(xiàng)，可從熱輻射的封閉方程獲得,假設(shè)物體為灰體，輻射方式為漫反射，參與輻射的物體表面為N，那么熱輻射的封閉方程為

(4)

式中：εj為j節(jié)點(diǎn)面的發(fā)射率；Fk-j為從k節(jié)點(diǎn)面到j(luò)節(jié)點(diǎn)面的角系數(shù)；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；Aj為節(jié)點(diǎn)面面積；δkj為克羅內(nèi)克函數(shù)。由式(4)求解Qk：

(5)

Qk項(xiàng)為k節(jié)點(diǎn)面的輻射損失,和式(3)中的-Qradk相等。將式(3)中的Qradk用-Qk代替可得

(6)

式(5)和式(6)就是RadTherm軟件求解溫度分布的控制方程。

1.3 RadTherm計(jì)算瞬態(tài)工況[5]

本文中計(jì)算的瞬時(shí)工況從勻速爬坡開始，直到發(fā)動機(jī)熄火之后一段時(shí)間結(jié)束，計(jì)算過程見圖2。工況1是勻速爬坡的開始(t=0)；工況2是勻速爬坡經(jīng)過30min運(yùn)行結(jié)束(t=30min)，工況2′是熄火狀態(tài)的開始(t=30min+步長)，工況2和工況2′在實(shí)際狀態(tài)應(yīng)該是同一點(diǎn)，但因計(jì)算中須設(shè)置邊界條件，故將二者之間用一個(gè)時(shí)間步長隔開；工況3是熄火的終止?fàn)顟B(tài)(t=50min)，這4個(gè)工況車輛和冷卻風(fēng)扇狀態(tài)見表1。

表1 不同工況的車輛行駛和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動狀態(tài)

這4個(gè)工況點(diǎn)均是以Fluent計(jì)算的穩(wěn)態(tài)流動換熱系數(shù)和流體溫度作為RadTherm瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件，在工況2′和工況3兩個(gè)時(shí)刻之間排氣管的溫度在緩慢下降，如果只導(dǎo)入工況2′和工況3的邊界，RadTherm只會對導(dǎo)入的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，得到的計(jì)算結(jié)果會與實(shí)際差別較大。本文中在這兩個(gè)工況點(diǎn)之間插入3個(gè)耦合計(jì)算的工況點(diǎn)，使排氣管溫度變化過程和零件周圍的邊界條件更加符合實(shí)際狀態(tài)。

2 模型建立

2.1 網(wǎng)格模型建立

基于某四缸缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)轎車建立數(shù)學(xué)模型，主要包括發(fā)動機(jī)前艙離排氣歧管較近的零件和車輛底盤排氣管附近的零件。模型的建立分為兩部分，一部分用于Fluent穩(wěn)態(tài)計(jì)算，另外一部分用于RadTherm瞬態(tài)計(jì)算。具體模型見圖3。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型大概包括120個(gè)零件，90萬三角形面網(wǎng)格單元；瞬態(tài)計(jì)算提取發(fā)動機(jī)前艙距離隔音棉較近的排氣管和隔音棉作為研究對象。

2.2 RadTherm計(jì)算邊界條件

計(jì)算邊界條件包括兩部分，一部分是通過Fluent計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)流動換熱結(jié)果作為邊界條件，其中穩(wěn)態(tài)計(jì)算的邊界條件主要有排氣流量、溫度和環(huán)境溫度，另一部分為各個(gè)零件材料本身的參數(shù)設(shè)置。本文中主要研究瞬態(tài)計(jì)算，所以關(guān)于穩(wěn)態(tài)計(jì)算的參數(shù)設(shè)置不予詳述。在這里要特別提出的是零件材料的反射率和吸收率的設(shè)定，反射率和吸收率不僅與材料本身有關(guān)，且與零件表面的氧化程度也有很大關(guān)系。所采用的各種材料反射率和吸收率均來自于公司內(nèi)部材料數(shù)據(jù)庫，根據(jù)車輛的使用情況和零件的氧化程度選擇對應(yīng)的反射率和吸收率。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)束后，從Fluent軟件導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)作為RadTherm瞬態(tài)計(jì)算的初始邊界條件，導(dǎo)出結(jié)果主要包含與各個(gè)零件表面相接觸的流體溫度和零件表面的熱交換系數(shù)等。零件的材料屬性需要重新設(shè)置，主要有熱傳導(dǎo)率、反射率、吸收率和材料厚度等。需要特別注意的是發(fā)動機(jī)排氣管和內(nèi)部氣體的邊界設(shè)置，圖4給出內(nèi)部氣體溫度和流量曲線。排氣流量在發(fā)動機(jī)熄火后降為零，但是排氣管表面和內(nèi)部氣體的溫度并不會立刻冷卻下來，通過耦合計(jì)算得出排氣管表面和內(nèi)部氣體溫度的緩慢降溫過程作為瞬態(tài)計(jì)算的最終邊界條件[6]。

3 瞬態(tài)工況分析結(jié)果

3.1 驗(yàn)證仿真的可行性

通過RadTherm的瞬態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。圖5給出隔音棉上測點(diǎn)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對比。由圖可見，仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果溫度要高，主要原因在于Fluent穩(wěn)態(tài)計(jì)算給定的排氣溫度邊界條件比實(shí)際測量溫度高，導(dǎo)致仿真結(jié)果數(shù)值比試驗(yàn)結(jié)果偏高。另外，從第30min開始(即熄火開始)，1點(diǎn)和3點(diǎn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，主要是由于當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火后，經(jīng)過耦合計(jì)算后得出的排氣管溫度邊界準(zhǔn)確度較高，使仿真結(jié)果更加接近試驗(yàn)值。但是2點(diǎn)的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差20℃，主要原因在于，2點(diǎn)附近有制動管和空調(diào)管等一些直徑較小的管路，在建模初期，未建立這些管路模型，導(dǎo)致仿真過程中此處附近對流換熱情況比實(shí)際情況好，所以仿真結(jié)果的溫升沒有試驗(yàn)結(jié)果的高。

綜合比較RadTherm仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，可以得到以下結(jié)論：一方面，如果能將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的小零件也包含在計(jì)算模型中(主要是管路和線束)，那么熱管理仿真計(jì)算在車輛開發(fā)前期預(yù)測零件溫度的準(zhǔn)確度就會提高，進(jìn)而可以采取有效措施保護(hù)耐熱較差的區(qū)域，減少后期開發(fā)成本；另一方面，即使建立的數(shù)學(xué)模型并不是十分完善，也可以通過瞬態(tài)仿真的溫升趨勢，結(jié)合周圍其他零件的布置情況，推斷出零件受熱情況，在項(xiàng)目開發(fā)前期規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 RadTherm瞬態(tài)計(jì)算在車輛開發(fā)前期的應(yīng)用

本文中對某轎車發(fā)動機(jī)艙前圍板隔音棉進(jìn)行了瞬態(tài)仿真計(jì)算，隔音棉的作用在于減小從發(fā)動機(jī)艙傳遞到乘客艙的發(fā)動機(jī)振動噪聲，如果表面溫度過高將導(dǎo)致隔音棉老化，進(jìn)而降低隔音效果，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致隔音棉起火。

圖6為隔音棉在沒有隔熱鋁箔情況下的溫度分布。從圖6和圖5可以看出，隔音棉中間深色區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其溫度限值，在發(fā)動機(jī)熄火后的4min內(nèi)達(dá)到峰值，整個(gè)過程中超過溫度限值的時(shí)間持續(xù)了9min，所以隔音棉過熱區(qū)域需要加設(shè)隔熱罩。圖7為隔熱罩的原始設(shè)計(jì)方案，該方案是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來的。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，原始設(shè)計(jì)方案已經(jīng)能使隔音棉滿足熱性能要求，但還沒有達(dá)到最佳效果。圖8的隔熱罩根據(jù)瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果得出改進(jìn)方案，而圖9為隔熱罩改進(jìn)后隔音棉的溫度分布圖。從圖中可以看出，改進(jìn)方案能滿足設(shè)計(jì)要求，而且改進(jìn)后的隔熱罩面積只有原先的40%，選用改進(jìn)方案可以節(jié)省成本60%?？傊瑔渭兊姆€(wěn)態(tài)計(jì)算已經(jīng)不能滿足整車開發(fā)需求，將瞬態(tài)計(jì)算加入到整車開發(fā)過程是很有必要的。

4 結(jié)論

(1) 在車輛開發(fā)前期，利用虛擬技術(shù)對靠近排氣系統(tǒng)附近的零件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算分析是可行和必要的，而且這種計(jì)算方法簡便、快捷，可以在項(xiàng)目開發(fā)前期的整車熱管理中得到廣泛應(yīng)用。

(2) 利用瞬態(tài)分析手段，對隔音棉隔熱罩進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過比較改進(jìn)前后的溫度場分布，最終選用改進(jìn)方案，使零件成本降低60%。

(3) 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在5%～10%之間，主要與數(shù)模網(wǎng)格建立的完善程度有關(guān)，直徑10mm以上的管路應(yīng)該體現(xiàn)在計(jì)算模型中，這樣才能保證真實(shí)的對流換熱和熱輻射環(huán)境，為瞬態(tài)計(jì)算提供準(zhǔn)確的邊界條件，從而得到更為精確的計(jì)算結(jié)果。

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