羅仁宏，郭健忠，胡 溧，王之豐

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430081；2.浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315336）

0 引言

近年來，隨著商用車發(fā)動機(jī)的功率不斷提升，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的熱流密度也隨之增大,汽車普遍存在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度過高問題[1]。再加上汽車的動力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等方面要求使發(fā)動機(jī)艙內(nèi)添加更多的發(fā)熱裝置，使得機(jī)艙空間變得更加狹窄，給發(fā)動機(jī)艙散熱增加了更大的困難。若發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各個部件的布置位置不合理會嚴(yán)重影響冷卻空氣流動，最終引起機(jī)艙內(nèi)溫度偏高[2]。在這種情況下，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能會降低，發(fā)動機(jī)過熱，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的充氣效率降低，燃燒不正常；同時由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)局部溫度過高，會導(dǎo)致橡膠件或電線軟化，甚至?xí)p少元器件的使用壽命，引起汽車自燃。因此發(fā)動機(jī)艙散熱分析成為研究的重點(diǎn)[3,4]。

隨著計算流體力學(xué)和傳熱學(xué)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使數(shù)值計算成為一種高效且實(shí)用的研究手法[5]。運(yùn)用數(shù)值計算，能在產(chǎn)品開發(fā)前期，初步地得到汽車發(fā)動機(jī)艙散熱性能以及其影響因素，這為發(fā)動機(jī)艙的散熱布置提供有力的理論依據(jù)，避免了產(chǎn)品開發(fā)后期大的改動，降低了工程成本。

以某商用車為研究原型，該車在最大功率點(diǎn)工況和最大扭矩點(diǎn)工況下，存在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)整體溫度過高以及發(fā)動機(jī)出水口溫度偏高問題。對該車型進(jìn)行發(fā)動機(jī)艙散熱分析，通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。最后找出影響發(fā)動機(jī)艙散熱的原因，并提出有效可行的改進(jìn)方案，通過改進(jìn)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，來驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性，為機(jī)艙散熱分析提供了研究方法。

1 計算模型

1.1 基本理論

汽車車速一般遠(yuǎn)小于聲速，馬赫數(shù)小于0.3，因此汽車周圍空氣密度可以近似看作常數(shù)，即空氣不可壓縮[6]。計算中要滿足的流體力學(xué)基本方程如下：

1）質(zhì)量守恒方程，微分表達(dá)式：

式中，ρ為密度；t為時間；μ為速度矢量。

2）動量守恒定律，表達(dá)式：

式中，μ是平均速度分量；μi是平均速度分量；P是靜壓力；χi是對應(yīng)坐標(biāo)分量；μeff是湍流有效黏性系數(shù)。

3）能量守恒定律，表達(dá)式：

式中，CP是比熱容；T是溫度；K是流動的傳熱系數(shù)；ST是流動的內(nèi)熱源。

4）汽車?yán)鋮s常數(shù)F常，表達(dá)式：

式中，T發(fā)出為發(fā)動機(jī)出水溫度；T環(huán)境為環(huán)境溫度。其中F常越小，則發(fā)動機(jī)艙的散熱性能越強(qiáng)。為了防止汽車出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象，汽車?yán)鋮s常數(shù)F常要小于60℃[7]。

1.2 網(wǎng)格生成

考慮到風(fēng)洞中洞壁干擾和雷諾效應(yīng)的影響，模擬風(fēng)洞計算域設(shè)定為車前取3倍車長，車后取5倍車長，車兩側(cè)各取5倍車寬，計算域高度取6倍車高[8]。

圖1 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)網(wǎng)格示意圖

對于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件以及前格柵區(qū)域進(jìn)行局部加密，以提高仿真的精度，全局網(wǎng)格數(shù)為1600萬，如圖1所示。

1.3 邊界設(shè)定

多孔介質(zhì)模型適用于計算充滿固體填充物的流體區(qū)域。在本次計算中，換熱器芯體的細(xì)密空氣通路中的空氣狀態(tài)就采用了這種模型來計算。在多孔介質(zhì)中，流動的阻力被分解到給定的方向，并通過源項(xiàng)的方式，添加到動量方程中。源項(xiàng)的系數(shù)由下式給出：

P是壓降；L是多孔介質(zhì)厚度；μ是來流速度；PI是慣性阻尼系數(shù)；Pμ粘性阻尼系數(shù)。如圖2所示。

圖2 冷卻部件阻抗曲線圖

2 計算結(jié)果與試驗(yàn)分析

2.1 仿真結(jié)果分析

研究汽車發(fā)動機(jī)艙散熱性能以及考慮到試驗(yàn)條件，選取發(fā)動機(jī)處于最典型工況下進(jìn)行分析：

工況1：汽車發(fā)動機(jī)處于最大扭矩點(diǎn)（350N·m），發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1900rpm，車速37km/h，環(huán)境溫度30℃；

工況2：汽車動機(jī)處于額定功率點(diǎn)（110kW），發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3500rpm，車速39km/h，環(huán)境溫度31℃。

圖3是發(fā)動機(jī)艙對稱截面速度矢量圖，從圖中清楚地顯示出冷卻氣體在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流動的情況：冷卻空氣從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)前艙，在風(fēng)扇的吸力作用下，依次通過中冷器、散熱水箱和冷卻風(fēng)扇，然后吹向發(fā)動機(jī)體，帶走機(jī)體表面多余熱量。由于冷卻風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)前端之間的間距較小以及機(jī)艙空間較為緊湊，導(dǎo)致流經(jīng)風(fēng)扇后的受熱氣體在機(jī)艙內(nèi)流通不暢，不能順暢的向機(jī)艙出口流出，再加上冷卻模塊前后壓力差的作用下，最終流進(jìn)導(dǎo)致冷卻模塊的受熱氣體回流到發(fā)動機(jī)前艙，再次進(jìn)入中冷器和散熱器，回流的受熱氣體反復(fù)受到中冷器和散熱水箱的加熱，從而導(dǎo)致冷卻模塊散熱性能下降，致使發(fā)動機(jī)的出水溫度偏高；進(jìn)氣口溫度明顯高于環(huán)境溫度，如圖4所示，這勢必影響發(fā)動機(jī)艙的散熱，導(dǎo)致機(jī)艙溫度過高。

結(jié)合圖3和圖4中可以清楚的看到在發(fā)動機(jī)前艙上方存在較大的漩渦流，這是由于加熱氣體回流到發(fā)動機(jī)前艙與流經(jīng)格柵的冷卻氣體相遇而造成的，渦流的存在嚴(yán)重的影響了發(fā)動機(jī)冷卻模塊的進(jìn)氣量，這給發(fā)動機(jī)散熱帶來了更大的困難。

圖3 發(fā)動機(jī)艙速度流場圖

圖4 發(fā)動機(jī)艙對稱截面溫度云圖

2.2 計算模型標(biāo)定

在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)選取了3個典型空間溫度測試點(diǎn)，其布置位置如圖5所示。在工況1和工況2設(shè)定的邊界條件下監(jiān)測出各個空間溫度點(diǎn)的溫度大小，并將實(shí)驗(yàn)測試值與仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，對比數(shù)值如表1和表2所示。

圖5 發(fā)動機(jī)空間點(diǎn)示意圖

在試驗(yàn)臺架上對本次研究車型進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用大流量風(fēng)機(jī)和軸流通風(fēng)機(jī)來等效汽車在行駛過程中來流空氣，用K型熱電偶溫度傳感器來測量發(fā)動機(jī)艙內(nèi)非發(fā)熱壁面和空間點(diǎn)的溫度。

表1 發(fā)動機(jī)艙空間點(diǎn)溫度試驗(yàn)值與仿真值對比

表2 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)非發(fā)熱壁面溫度試驗(yàn)值與計算值對比

從表1和表2中可以看出仿真計算值和試驗(yàn)測量值之間存在一定的誤差，其中最大誤差值為6.7%，由于試驗(yàn)過程中，傳感器精度和軟件計算精度等不可避免因素的影響而造成。綜合分析可得：最大誤差不超過7%，驗(yàn)證了仿真計算的精確性，為發(fā)動機(jī)艙的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

3 發(fā)動機(jī)艙改進(jìn)

通過上面對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場和溫度場分析，機(jī)艙內(nèi)嚴(yán)重的存在回流現(xiàn)象，這不僅減少了冷卻模塊的進(jìn)氣量，造成發(fā)動機(jī)艙空間溫度過高，而且還降低了散熱器的散熱性能，造成了發(fā)動機(jī)出水口冷卻液溫度過高。針對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)存在回流現(xiàn)象以及汽車?yán)鋮s系數(shù)過高問題，對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 添加冷卻模塊導(dǎo)流板

為增加冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量和減少冷卻模塊前方空間處的左右熱回流，增加了冷卻模塊導(dǎo)流板。通過多組模擬計算以及結(jié)合實(shí)車的結(jié)構(gòu)、安裝位置等多種因素，確定了導(dǎo)流板所在平面與中冷器進(jìn)風(fēng)平面之間的最佳夾角為75°，其布置位置如圖6所示。

圖6 冷卻模塊導(dǎo)流板

在工況1和工況2設(shè)定的邊界下分別進(jìn)行數(shù)值仿真計算，其計算結(jié)果如表3所示。

表3 散熱器散熱特性表

從表3中可以看出散熱器的進(jìn)氣流量有明顯增加，同時散熱器的出口平面平均溫度都下降。有利于增大了發(fā)動機(jī)艙的散熱能力。

3.2 添加冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩

為了降低發(fā)動機(jī)艙熱回流現(xiàn)象，以及考慮到實(shí)車中發(fā)動機(jī)艙的布置情況和安裝難度等因素，最后經(jīng)過多次計算分析，設(shè)計出冷卻風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的造型和安裝位置，如圖7所示。

圖7 冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩

分別在工況1和工況2設(shè)定的邊界條件下，對僅增加了風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的計算模型進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)動機(jī)艙對稱截面對比速度矢量圖

從圖8的標(biāo)注處對比可以看到，添加了冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩后起到明顯降低氣體回流到冷卻模塊前端的作用，并且有效的引導(dǎo)了氣體向發(fā)動機(jī)后艙流動，從而帶走了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)多余的熱量，同時減少了回流現(xiàn)象，消除了發(fā)動機(jī)前艙的漩渦流現(xiàn)象，避免了發(fā)動機(jī)前艙產(chǎn)生積熱現(xiàn)象。同時，從溫度云圖9可以看到：添加了冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩后，發(fā)動機(jī)前艙進(jìn)口溫度比沒添加冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩機(jī)艙進(jìn)口溫度要低，從而提高了冷卻模塊的散熱性能。

圖9 發(fā)動機(jī)對稱截面溫度對比云圖

3.3 組合計算

從上述分析可以得到，添加冷卻模塊導(dǎo)流板和冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩后，能在一定程度上提高機(jī)艙的散熱性能，但由于單個結(jié)構(gòu)的改進(jìn)效果是有限的，為了達(dá)到最佳散熱效果，使發(fā)動機(jī)冷卻常數(shù)F常低于60℃，在這里進(jìn)行組合方案進(jìn)行計算分析。

在工況1和工況2設(shè)定的邊界條件下進(jìn)行數(shù)值計算，從空間點(diǎn)溫度對比圖10中可以看到，組合方案中每個空間點(diǎn)的溫度都有所下降且下降幅度最大，僅添加冷卻風(fēng)扇導(dǎo)流罩的機(jī)艙空間點(diǎn)溫度下降次之。其結(jié)果如圖10所示。

圖10 空間溫度對比圖

由上述分析可得，組合改進(jìn)方案最為有效，機(jī)艙內(nèi)空間點(diǎn)的溫度下降最為明顯。

4 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后汽車?yán)鋮s常數(shù)是否低于60℃，對該樣車進(jìn)行改進(jìn)前后，發(fā)動機(jī)艙熱平衡臺架試驗(yàn)。在工況條件不變情況下進(jìn)行組合方案實(shí)車試驗(yàn)，對發(fā)動機(jī)進(jìn)、出口處布置溫度檢測點(diǎn)。

通過改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果對比可得：發(fā)動機(jī)進(jìn)、出口冷卻液溫度均有所下降。其下降結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)前后試驗(yàn)對比表 單位℃

從表4對比可以看出，發(fā)動機(jī)機(jī)艙空間點(diǎn)溫度和發(fā)動機(jī)的出水口冷卻液溫度均下降。機(jī)艙空間點(diǎn)溫度最小降幅為11.1℃，最大降幅為15.4℃；發(fā)動機(jī)出水口冷卻液溫度最小下降幅度為1.9℃，最大下降幅度為2℃。改進(jìn)后，由公式(4)可得到最大扭矩點(diǎn)冷卻常數(shù)為58.6℃，額定功率點(diǎn)冷卻常數(shù)為59.4℃，均小于60℃，滿足汽車散熱要求。

5 結(jié)論

1）發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度對發(fā)動機(jī)出水溫度有影響，機(jī)艙內(nèi)溫度下降，發(fā)動機(jī)出水溫度也下降，為防止散熱水箱冷卻液溫度過高提供了研究方法。

2）利用數(shù)值計算方法能在車輛開發(fā)前期得到發(fā)動機(jī)艙流動特性和溫度特性，有利于引導(dǎo)機(jī)艙內(nèi)冷卻氣體的流動，從而避免了熱危害。

3）數(shù)值計算與臺架試驗(yàn)相結(jié)合，為發(fā)動機(jī)熱管理開發(fā)提供了開發(fā)流程和平臺方面的支持，從而減少了試驗(yàn)成本，縮短了開發(fā)周期。

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