某車型機艙熱管理仿真分析及優(yōu)化

肖 能，王小碧，史建鵬

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

某車型機艙熱管理仿真分析及優(yōu)化

肖 能，王小碧，史建鵬

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

本文采用CFD仿真分析方法對汽車發(fā)動機艙內(nèi)流場和溫場進行仿真分析，考慮熱對流與熱輻射的影響，并與試驗結(jié)果進行對比，誤差控制在10%以內(nèi)，滿足發(fā)動機艙熱管理工程設(shè)計的需求；并在此基礎(chǔ)上提出冷卻模塊中置與偏置兩種改進方案，通過對比選出效果較好的偏置方案進行下一輪優(yōu)化仿真分析；在第二輪偏置方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進后，機艙內(nèi)部流場得到改善，各零部件溫度達到了設(shè)計目標的要求。

熱管理；CFD；發(fā)動機艙；優(yōu)化

1 引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，現(xiàn)代汽車機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局越來越緊湊，從而對發(fā)動機艙的散熱性能提出了更高的要求。車前格柵開口位置與進氣面積、冷卻模塊性能、發(fā)動機艙類各零部件的相對位置等因素，都影響著機艙內(nèi)部的散熱性能，因此必須采取有效地措施來進行汽車發(fā)動機艙熱管理的分析與設(shè)計。

事實證明，CFD仿真分析方法是低成本、高效率進行汽車設(shè)計開發(fā)的一種有效手段。采用CFD仿真分析方法進行汽車發(fā)動機艙熱管理仿真分析，能夠直觀地得到機艙內(nèi)部流場和溫度分布情況，從而快速找到問題，合理優(yōu)化內(nèi)部流場，避免發(fā)動機艙內(nèi)部形成流動死區(qū)和局部溫度過高，從而可以有效減少研發(fā)周期，節(jié)約試驗成本。

本文采用Star-CCM+軟件對某自主品牌轎車的發(fā)動機艙熱管理問題進行了仿真分析，先將仿真分析結(jié)果與初期設(shè)計車型機艙熱管理試驗結(jié)果進行對比分析，然后在此基礎(chǔ)上對不同進氣格柵、不同冷卻模塊位置的仿真分析結(jié)果進行了對比分析，然后選出機艙內(nèi)布局比較合理的方案進行下一步優(yōu)化設(shè)計。

2 計算模型與邊界條件

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

汽車發(fā)動機艙熱管理分析的模型包括車身外部、發(fā)動機艙內(nèi)鈑金件、進氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動機、變速箱、蓄電池，進排氣系統(tǒng)、ECU、轉(zhuǎn)向機等影響前艙空氣流動的主要部件，在Star-CCM+中進行包面處理，同時兼顧計算精度和計算機硬件，調(diào)整網(wǎng)格疏密度，在機艙內(nèi)部重要的位置進行網(wǎng)格細化，最終生成的機艙內(nèi)部網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 邊界條件

本次計算60 km/h爬坡工況，同時考慮熱對流和熱輻射兩種傳熱方式。數(shù)值風洞入口根據(jù)試驗工況設(shè)定速度入口和環(huán)境溫度，出口設(shè)定壓力出口和環(huán)境溫度；冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型來模擬，其慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)通過試驗數(shù)據(jù)擬合而來，同時冷凝器及散熱器換熱量設(shè)定為固定值；風扇采用MRF算法；機艙內(nèi)熱源表面由試驗測量結(jié)果設(shè)定為溫度邊界；其他零部件表面設(shè)定為絕熱邊界條件，并設(shè)置材料的輻射參數(shù)。

3 原方案仿真結(jié)果與試驗對比

原方案仿真工況與試驗工況相對應，分析了爬坡工況，分別對流場和溫場仿真結(jié)果進行了分析，指出需要進行優(yōu)化改進的位置，并將溫場結(jié)果的試驗測點結(jié)果進行對比。

3.1 原方案流場仿真結(jié)果

圖2所示為爬坡工況時的機艙截面速度矢量圖，從圖2（a）中可以看出流過散熱器的熱風經(jīng)風扇作用后從空濾側(cè)面大量吹過，同時受熱輻射的影響，容易造成空濾溫度過高，影響發(fā)動機動力性能。從圖2（b）中可以看出風扇和發(fā)動機本體距離過近，造成進氣歧管對氣流阻礙作用較大。

3.2 原方案溫場仿真結(jié)果與試驗對比

原方案機艙內(nèi)溫場仿真結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，空濾大部分都處于高溫區(qū)域，會造成發(fā)動機進氣溫度過高，影響動力性能。同時，蓄電池也處于局部高溫區(qū)，加上其自身散熱，容易造成蓄電池溫度過高。

圖4所示為爬坡工況下測點溫度試驗值與仿真值的對比，從圖中可以看出，發(fā)動機艙內(nèi)部主用零部件溫度與試驗測點溫度相比誤差整體控制在10%一下，滿足發(fā)動機艙熱管理設(shè)計的需求。發(fā)動機艙熱管理CFD仿真幾何結(jié)構(gòu)復雜，計算結(jié)果精度與網(wǎng)格數(shù)量息息相關(guān)，由于計算資源有限，本次計算網(wǎng)格數(shù)量控制在千萬以下，若在此基礎(chǔ)上細化機艙內(nèi)部重要區(qū)域網(wǎng)格，計算誤差還會進一步降低。

4 改進方案仿真結(jié)果對比

4.1 改進方案

針對機艙熱管理仿真中出現(xiàn)的問題，提出優(yōu)化改進方案。經(jīng)過以上分析已經(jīng)知道，冷卻模塊與發(fā)動機本體之間距離過近，因此新方案中將冷卻模塊前移一定距離，如圖5所示，前保險杠與格柵也相應移動，為了兼顧外觀需求，同時修改了格柵外形，新格柵進氣面積有所減少。原方案中冷卻模塊處于偏置狀態(tài)，改進方案中將采取冷卻模塊中置與偏置兩種情況，如圖6所示，在兩種中選出最優(yōu)方案繼續(xù)進行優(yōu)化改進。另外，空濾、蓄電池、ECU位置等也有所調(diào)整。

4.2 改進方案結(jié)果對比

4.2.1 冷卻系統(tǒng)進氣量對比

由于新方案與原方案相比，格柵進氣面積有所減少，因此機艙內(nèi)進氣量會相應降低，必將對機艙內(nèi)溫度場的分布帶來較大的影響。改進方案與原方案進氣量對比結(jié)果如表1所示。從表中可看出，兩種新方案冷卻系統(tǒng)進風量相差不大，但都低于原方案。

表1 冷卻系統(tǒng)進氣量對比

經(jīng)過分析可知，由于格柵進氣面積的降低，對進氣量帶來一定的影響。另一方面，新方案中冷卻模塊導流板張開角度偏小，不能完全覆蓋格柵進氣，從而未能起到有效導流作用。

4.2.2 流場對比

新方案中冷卻模塊中置速度矢量圖如圖7所示，冷卻模塊偏置速度矢量圖如圖8所示。從圖中可以看出，兩種方案和原方案相比，由于冷卻模塊與發(fā)動機之間的距離有所增大，進氣歧管對氣流的阻礙作用有所減小，其中偏置方案效果更加明顯；另外，經(jīng)過散熱器后的高溫氣流對空濾的影響也大大減少，避免了對發(fā)動機進氣量的影響，提高動力性能。但兩新方案與原方案相比，圖中所示位置氣流發(fā)生了泄漏，導致發(fā)動機艙進氣量的減少，說明冷卻模塊的導流板還需要進一步優(yōu)化。

4.2.3 溫度對比

兩新方案機艙內(nèi)溫度場仿真結(jié)果如圖9、10所示，與原方案溫度場對比可以發(fā)現(xiàn)，由于兩新方案機艙進氣量有所降低，導致新方案機艙內(nèi)部溫度整體偏高。

兩新方案仿真各部件最大溫度結(jié)果對比如圖11所示。從圖中可以看出，兩個新方案ECU、電機、選換擋軟軸仿真溫度結(jié)果相差不大；冷卻模塊中置方案中，轉(zhuǎn)向機最大溫度比偏置方案中低，而蓄電池最大溫度比偏置方案中高。

5 優(yōu)化分析

通過以上改進方案對比分析可知，冷卻模塊偏置方案進氣量與中置方案相差不大，但偏置方案中僅有一側(cè)導流板，優(yōu)化空間更大；另外，從發(fā)動機艙內(nèi)流線圖中可以看出，偏置方案中發(fā)動機周圍氣流分布更加合理，因此進一步優(yōu)化改進方案選擇冷卻模塊中置方案進行。

5.1 模型優(yōu)化

由第二輪冷卻模塊偏置方案分析結(jié)果顯示，在格柵與導流板改動的影響下，發(fā)動機艙進氣量降低，由于外觀限制，格柵無法再做變動，因此將優(yōu)化導流板以提高機艙進氣量，如圖12所示。另外，在第二輪冷卻模塊偏置方案分析中，蓄電池與轉(zhuǎn)向機溫度明顯偏高，需要降低其溫度以滿足許用溫度的要求，因此在上一輪蓄電池與轉(zhuǎn)向機溫度過高處添加隔熱罩，如圖13、圖14所示。

5.2 冷卻系統(tǒng)進氣量對比

第三輪優(yōu)化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案機艙進氣量結(jié)果對比如表2所示，從表中可以看出，經(jīng)過導流板的優(yōu)化改進，第三輪進氣量比第二輪中偏置方案有所提高。

表2 冷卻系統(tǒng)進氣量對比kg/s

5.3 溫度對比

第三輪優(yōu)化后機艙內(nèi)溫度場仿真結(jié)果如圖15所示，與原方案和第二輪方案對比可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，機艙進氣量的提高顯著降低了機艙內(nèi)部的整體溫度，尤其是機艙左側(cè)空濾和蓄電池所處區(qū)域溫度得到了明顯的改善。

第三輪優(yōu)化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案中機艙內(nèi)零部件最大溫度對比結(jié)果如圖16所示。從圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化改進后，在隔熱罩的導流與隔熱作用下，轉(zhuǎn)向機與蓄電池溫度明顯降低，效果顯著。另外，ECU與軟軸溫度略有降低，電機溫度變化不大。由此可見，在機艙熱管理分析中，采用CFD仿真方法進行仿真設(shè)計能夠起到顯著的作用。

6 結(jié)論

經(jīng)過以上分析對比研究可以看出：

（1）發(fā)動機艙熱管理分析考慮熱對流與熱輻射影響時，原方案仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)，能夠滿足汽車發(fā)動機艙熱管理工程設(shè)計的需要；

（2）格柵進氣面積與冷卻模塊導流板對機艙進氣量影響明顯；

（3）冷卻模塊與發(fā)動機本體之間的距離對發(fā)動機周圍氣流分布影響明顯；

（4）采用CFD仿真分析方法，能夠有效優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)氣流分布，改進機艙內(nèi)溫場分布，防止零部件溫度過高。

[1]陶文栓.數(shù)值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[2]陶文栓.傳熱學[M].西安:西安工業(yè)大學出版社,2006.

[3]王若平,汽車空調(diào)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.6.

[4] John D.Anderson.Computational Fluid Dynamics (吳頌平譯).北京:機械工業(yè)出版社,2007.6.

[5] Edinilson Alves Costa.CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks[J], 2003-01-3557.

專家推薦

史建鵬：

本文采用CFD仿真分析方法對汽車發(fā)動機艙內(nèi)流場和溫場進行仿真分析，通過試驗驗證，誤差控制在10%以內(nèi)；并用此方法計算不同優(yōu)化方案的效果，找出敏感的影響因素。該文對車輛發(fā)動機艙熱管理問題進行了仔細研究，具有很好的參考價值，建議收錄。

Simulation Analysis and Optimization of a Vehicle Thermal Management

XIAONeng,W ANG X iao-bi,S HI J ian-peng
(Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China)

This paper analyses the flow field and temperature field in a vehicle underhood based on CFD method, condersing the effect of convection and radiation, then compares the results with the experiment and the error is less than 10% which is suitable for the engineering design requirements of underhood thermal management; based on this, two improved schemes of the mid and bias cooling module are put forward, then contrasted and chosen the better bias scheme for the next simulation analysis; after optimization based on the bias scheme in the second round, the flow field in the underhood is improved and the component temperature meets the design requirements.

thermalmanagement;CFD;underhood;optimization

U462

A

1005-2550（2014）05-0056-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.012

2014-09-01