基于數(shù)學(xué)模型的整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)散熱性能仿真與試驗(yàn)

湯名權(quán)

摘要：為達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行及整車(chē)安全行駛的目的，運(yùn)用AMESim軟件建立整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，對(duì)其散熱性能進(jìn)行仿真試驗(yàn)與分析。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，得到冷卻系統(tǒng)在常見(jiàn)工況下的溫度變化特性，繪制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口與散熱器出口位置冷卻液溫度變化曲線(xiàn)、散熱器進(jìn)出口位置冷卻液溫度變化曲線(xiàn)以及散熱器進(jìn)出口位置冷卻液溫度溫差變化曲線(xiàn)。研究結(jié)果可以為今后關(guān)于整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的試驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型;冷卻系統(tǒng);發(fā)動(dòng)機(jī);散熱器;散熱性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TK423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0024-03

0? 引言

在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，詳細(xì)研究與分析整車(chē)各系統(tǒng)性能，最小化故障率，盡可能地滿(mǎn)足客戶(hù)需求，對(duì)各整車(chē)企業(yè)而言均十分重要。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的動(dòng)力源，其性能的好壞會(huì)對(duì)汽車(chē)可靠性與安全性產(chǎn)生直接的影響。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，有線(xiàn)束、塑料管、橡膠管等非金屬件，艙內(nèi)溫度太高會(huì)導(dǎo)致高溫失效，影響整車(chē)安全行駛。而為了保證汽車(chē)獲取最佳動(dòng)力，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)必須有效散熱，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)的散熱性能提出嚴(yán)格的要求。

1? 整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的關(guān)鍵部分，會(huì)在很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，主要包括散熱器水冷系統(tǒng)、冷凝器空調(diào)系統(tǒng)與冷卻風(fēng)扇等。

1.1 水冷系統(tǒng)（閉式強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)）

水冷系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)通過(guò)水泵施壓，使冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。所謂強(qiáng)制冷卻，即在水泵轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將冷卻介質(zhì)壓力增強(qiáng)，促使冷卻介質(zhì)流動(dòng)，以此保證發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜溫度下運(yùn)行，不對(duì)其正常工作產(chǎn)生影響。在從發(fā)動(dòng)機(jī)外部向水套中流動(dòng)的過(guò)程中，冷卻介質(zhì)對(duì)熱量進(jìn)行吸收，向散熱器傳遞。系統(tǒng)大循環(huán)與小循環(huán)如圖1所示。其中，大循環(huán)流動(dòng)指在水泵帶動(dòng)作用下，冷卻介質(zhì)由發(fā)動(dòng)機(jī)水套向節(jié)溫器流動(dòng)，之后進(jìn)入散熱器，在散熱器中同格柵處流入的冷卻氣流換熱，降溫后返回水套;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量不是很大，冷卻介質(zhì)從發(fā)動(dòng)機(jī)水套流出，溫度比節(jié)溫器特性參數(shù)低時(shí)，節(jié)溫器不會(huì)開(kāi)啟，此時(shí)冷卻介質(zhì)會(huì)直接向水套流動(dòng)，此即小循環(huán)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)由冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥、干燥器以及蒸發(fā)器等構(gòu)成，其中，冷凝器發(fā)揮著必不可少的作用?？照{(diào)系統(tǒng)工作循環(huán)如圖2所示。從壓縮機(jī)出來(lái)后，制冷劑會(huì)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器作用下，該氣體會(huì)與環(huán)境冷空氣交換熱量，變?yōu)榈蜏馗邏阂后w，而經(jīng)干燥器除濕緩沖，壓力與流量會(huì)趨于平穩(wěn)，向膨脹閥流動(dòng)，之后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w向蒸發(fā)器流動(dòng)，同車(chē)內(nèi)熱風(fēng)交換熱量，降低車(chē)內(nèi)平均溫度，以低溫低壓蒸汽的形式向壓縮機(jī)流動(dòng)，如此循環(huán)。

1.3 冷卻風(fēng)扇

風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)提供動(dòng)力，以機(jī)械驅(qū)動(dòng)式與電機(jī)驅(qū)動(dòng)式風(fēng)扇應(yīng)用最為廣泛，前者通過(guò)V帶等同發(fā)動(dòng)機(jī)連接起來(lái)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度正相關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，風(fēng)量調(diào)控靈活性并不高;后者可對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行自行調(diào)控，風(fēng)量可控性比較高。

目前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用水冷系統(tǒng)，文章亦以此為重點(diǎn)展開(kāi)研究。

2? 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 CFD模型

在構(gòu)建CFD模型之前，先作以下假設(shè)：①不考慮艙內(nèi)的輻射換熱;②空氣定性溫度為周?chē)h(huán)境的溫度。

不考慮細(xì)小部件的影響，利用AMESim軟件構(gòu)建汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型，簡(jiǎn)化艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，然后劃分模型網(wǎng)格，局部加密處理艙內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域。考慮到艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空氣流動(dòng)存在很多邊界層分離、渦流等情況，此處采用可實(shí)現(xiàn)k-e兩方程模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬。將來(lái)流空氣溫度作為定性溫度對(duì)空氣物性參數(shù)進(jìn)行定義。散熱器采用多孔介質(zhì)模型，進(jìn)行熱流密度邊界的設(shè)置。

2.2 GT-COOL模型

GT-COOL模型對(duì)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行模擬，基于守恒與能量傳輸原理，計(jì)算系統(tǒng)各部件的散熱。圖3所示為模型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。冷卻水套帶走發(fā)動(dòng)機(jī)散失余熱，通過(guò)散熱器向發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣環(huán)境散失。

除散熱器會(huì)向空氣環(huán)境散熱，冷卻系統(tǒng)管道與其他部件表面也通過(guò)對(duì)流換熱向發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱。計(jì)算如下：

（1）

式中各字母表示含義為：

Tw——部件表面溫度;hm——平均對(duì)流換熱系數(shù);Tm——空氣主流溫度。

散熱器冷卻液側(cè)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：

（2）

散熱器空氣液側(cè)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：

（3）

式中各字母表示含義為：

Rel，Reg——雷諾準(zhǔn)則數(shù);Prl——普朗特準(zhǔn)則數(shù)。

在上述工作完成后，還要耦合一維與三維模型，經(jīng)迭代計(jì)算確定熱流場(chǎng)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能，保證實(shí)際散熱的準(zhǔn)確性。

3? 試驗(yàn)與仿真

3.1 仿真工況設(shè)定

試驗(yàn)設(shè)置工況外部氣溫為-10℃，觀察此環(huán)境條件下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱特性。另外，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2500r/min，車(chē)速為中高速，行駛路面為平路（坡度為0），仿真時(shí)長(zhǎng)為200s。表1所示為仿真工況的相關(guān)參數(shù)（此工況是汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較常出現(xiàn)的一種工況）。

3.2 冷卻系統(tǒng)仿真分析

經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)與相關(guān)計(jì)算，得到在外部氣溫為-10℃的環(huán)境工況條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)出口部位的溫度以及散熱器進(jìn)口部位的溫度，兩者的變化曲線(xiàn)如圖4所示。根據(jù)圖4仿真圖，在汽車(chē)整車(chē)的起步環(huán)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)出口部位的溫度會(huì)隨著時(shí)間的推移而慢慢上升，剛開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)會(huì)以小循環(huán)模式工作，此時(shí)并未將節(jié)溫器開(kāi)啟，而當(dāng)時(shí)間大約到達(dá)15s之時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)始由小循環(huán)工作狀態(tài)變?yōu)榇笱h(huán)工作狀態(tài)，此時(shí)，將散熱器啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)出口位置的溫度曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變，究其原因，在于發(fā)動(dòng)機(jī)在由小循環(huán)改變?yōu)榇笱h(huán)工作狀態(tài)之時(shí)，節(jié)溫器的開(kāi)啟程度會(huì)不斷變大并最終趨于平穩(wěn)，而節(jié)溫器達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的溫度，大約為95℃。另外，圖4所示散熱器在15s（亦即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)入大循環(huán)工作狀態(tài)后）溫度才開(kāi)始上升，這一過(guò)程中，散熱器本身的溫度為外部氣溫-10℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流入散熱器之后，散熱器內(nèi)部氣體會(huì)與冷卻液交換熱量，這會(huì)將散熱器溫度升高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，散熱器溫度會(huì)同發(fā)動(dòng)機(jī)的出口溫度保持在相同水平。

觀察發(fā)動(dòng)機(jī)出口位置與散熱器進(jìn)口位置溫度的變化，與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度改變情況是相符的，這對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

進(jìn)一步，經(jīng)仿真分析與計(jì)算，在散熱器開(kāi)始工作之后，其進(jìn)出口位置處的溫度變化情況如圖5所示。散熱器進(jìn)口部位的溫度比較高，在外部冷環(huán)境的冷卻作用之下，出口處的溫度會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)幅度的降低，這是散熱器同外部低溫環(huán)境條件進(jìn)行熱量交換所得來(lái)的結(jié)果，在此環(huán)節(jié)，散熱器進(jìn)出口位置處的溫度均經(jīng)歷了一個(gè)溫度上升并逐漸趨于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過(guò)程。

另外，散熱器進(jìn)出口位置處的溫度差也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，圖6所示為其具體的變化情況。圖6中的溫度差改變體現(xiàn)了散熱器本身所具有的冷卻能力，在初始階段，散熱器進(jìn)出口位置的溫度差變化曲線(xiàn)存在一定的波動(dòng)，原因在于節(jié)溫器的開(kāi)啟程度在不斷的變化，且其變化是不均勻的，致使散熱器進(jìn)出口位置處的溫度差在初始環(huán)節(jié)也有一定的不穩(wěn)定性存在。待AMESim仿真過(guò)程逐漸趨于穩(wěn)定之后，降溫情況（亦即散熱器進(jìn)出口位置處的溫度差）變?yōu)楹愣ㄖ?，大約維持在20℃的水平上。

4? 結(jié)語(yǔ)

利用AMESim軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，按照實(shí)際情況設(shè)置模型參數(shù)，并完成了冷卻系統(tǒng)外部氣溫、外部環(huán)境氣壓等運(yùn)行工況的設(shè)定。經(jīng)仿真試驗(yàn)，得到汽車(chē)整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在指定工況下溫度的變化特性，確定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口與散熱器出口位置處冷卻液溫度變化、散熱器進(jìn)出口位置處冷卻液的溫度變化以及散熱器進(jìn)出口位置處冷卻液溫度的溫差變化，這些溫度特性分析結(jié)果可以作為汽車(chē)整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析的溫度邊界輸入條件，為冷卻系統(tǒng)熱疲勞分析奠定理論研究基礎(chǔ)，同時(shí)，借助所搭建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行其他工況上的仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步得到冷卻系統(tǒng)的其他相關(guān)特性，提高開(kāi)發(fā)效率，提供一定的參考依據(jù)于冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改性以及試驗(yàn)研究預(yù)判等工作的開(kāi)展。

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