汽車發動機艙散熱性能實驗及數值研究

摘 要：針對后置式汽車發動機艙過熱問題，以某混合動力汽車為研究對象，運用3D/1D數值耦合方法，建立了發動機艙散熱系統的耦合計算數值模型.通過耦合數值計算，對不同環境溫度和車速條件下的機艙發動機部件表面對流換熱系數、機艙空間流量系數進行了研究，總結了對流換熱系數、流量系數的一般性規律，并擬合了相應的經驗關系式，為發動機冷卻系統一維模型以及發動機艙的設計研究提供了參數依據和理論基礎.同時通過對機艙熱流場分析，發現不同的機艙布置形式下，對流換熱系數和機艙流場有明顯影響.



關鍵詞：流場；機艙；耦合模型；對流換熱系數；流量系數

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A

Experimental and Numerical Study of the Cooling Performance of

Automobile Engine Cabin



REN Chengqin， CAI Dehong， LIU Jingping， FAN Mingming

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:To cope with the problem of overheating of rearmounted engine cabin， based on a type of hybrid vehicle， a coupled model for the cooling system of rearmounted engine cabin was established by using the coupling 3D/1D model. Through the process of coupled calculation， the convection heat transfer coefficient of engine surfaces and the flow coefficient of engine cabin in different ambient temperatures and driving speeds were studied. In addition， the general laws of the heat transfer coefficient and the flow coefficient were summarized and empirical equations were provided. All theresults proved basic parameters for the establishment of onedimensional model and theoretical basis for the design of the engine cabin. By analyzing the heat flow field， it was found that convection heat transfer coefficient and flow field changed noticeably with different layouts of engine cabin. The increase of the area of ventilated grille in the rear of engine cabin or adjusting the layout of radiator reasonably can improve the uniformity of the heat flow field and enhance the capacity of convective heat transfer of engine surfaces.



Key words:flow fields;engine cabin；coupled model；convection heat transfer coefficient；flow coefficient



汽車發動機艙熱流場的優劣，直接影響到整車的運行效果和使用性能.在新車設計階段，了解影響機艙散熱的主要因素，掌握不同運行工況下機艙散熱特性，是一項非常重要的工作.通過實驗方法對機艙散熱性能進行分析［1］，需要耗費大量成本，且試驗條件苛刻，測試結果受客觀條件影響較大.文獻［2-3］采用了實驗與數值模擬相結合的方法，對整車流場及發動機冷卻系統進行了分析研究.文獻［4］采用CFD數值技術模擬機艙熱流場，準確分析了特定工況下機艙內部散熱情況，但無法得到散熱性能隨工況的變化規律.作者運用STARCCM+和GTCOOL商業軟件，通過實驗分析，建立機艙散熱系統的耦合模型，將發動機冷卻系統與機艙熱流場聯合求解，從而得出不同工況下機艙散熱性能.

機艙散熱主要依靠熱對流與熱輻射的作用.對于一般的機艙結構，部件散失的大部分熱量依靠空氣對流作用帶走，因此本文主要考慮熱對流對機艙散熱性能的影響，分析對流換熱系數在不同運行工況下的特性規律.機艙內空氣流量，對機艙散熱效果有顯著影響，合理的機艙結構，能有效減少空氣漩渦，降低通風阻力，增強散熱性能.本文通過模擬分析，得出了機艙內空氣流量隨工況變化的一般規律.

1 耦合方案

1.1 CFD模型

模型的建立需要基于以下2點假設：

1)忽略機艙散熱過程中輻射換熱；

2)空氣為常物性流體，定性溫度為周圍環境溫度.

湖南大學學報(自然科學版)2012年

第4期任承欽等：汽車發動機艙散熱性能實驗及數值研究

利用UG軟件建立了后置式發動機艙的幾何模型，并對機艙內部結構進行了一定簡化，忽略了細小部件對流場的影響.運用STARCCM+軟件，對幾何模型進行了網格劃分，并對機艙流場區域進行了局部加密，如圖1所示. 

圖1 發動機艙網格局部加密

Fig.1 The local refined mesh of engine cabin

由于機艙結構的復雜性，空氣流動過程中存在大量邊界層分離、渦流等現象，流動處于紊流狀態.本文采用可實現ke兩方程模型［5］模擬機艙空氣流場.以來流空氣溫度為定性溫度定義空氣的物性參數.散熱器和中冷器采用多孔介質模型，設定熱流密度邊界條件.冷卻風扇作為動量源項，采用InterfaceFan模型，定義定轉速下風扇流量與壓頭之間的擬合關系式.

汽車運動方向為流場入口方向，模型中流場入口設定為VelocityInlet速度入口邊界，表壓為0 Pa.流場出口設定為PressureOutlet壓力出口邊界，表壓為0 Pa.汽車流場上界面以及兩側面設定為滑移絕熱邊界，地面設定為無滑移絕熱壁面.在模型的建立、對標階段，根據實驗測得的數據，將機艙內各散熱部件設為溫度邊界條件.在模型校驗和數據采集階段，通過與一維模型進行耦合計算，將散熱部件設為熱流密度邊界條件.

1.2 GTCOOL模型

GTCOOL一維模型用以模擬發動機冷卻系統運行情況.模型通過將發動機冷卻系統作為以管道、孔口等部件連接起來的一系列可控熱力系統的組合［6］，基于守恒及能量傳輸原理，計算各個部件的散熱情況.圖2為一維模型的簡化結構圖，冷卻系統部件主要包括冷卻水套、散熱器、中冷器、風扇以及管道等部件.冷卻水套將發動機散失的余熱帶走，以使發動機運行在正常工作溫度范圍內.冷卻水套帶走的熱量通過散熱器散失到機艙空氣環境中.

圖2 機艙冷卻系統一維簡化模型

Fig.2 The onedimensional simplified model

of engine cooling system



發動機冷卻系統中，除了散熱器向機艙空氣環境散熱外，管道及各個部件表面也以對流換熱的形式向機艙散失熱量.這部分對流散熱可以通過式(1)

Qheat=hmATw－Tm(1)

計算出來.式(1)中:Tw為部件表面溫度；hm，Tm分別為需要事先確定的平均對流換熱系數和空氣主流溫度，可以通過CFD三維模型計算得出.

散熱器冷卻液側的換熱準則關聯式采用經典的DittusBoelter公式［7］：

Nu=0.023Re 0.8lPr 0.3l. (2)

散熱器空氣側的換熱準則關聯式采用我國原六機械整理的實驗關聯式［8］：

Nu=0.118Re 0.631 7g. (3)

其中:Rel，Reg為以相應流道當量直徑為特征尺寸的雷諾準則；Prl為冷卻液的普朗特準則數.

模型中的風扇為軸流風扇，額定流量為4.8 m3/s，額定轉速為2 300r/s，壓頭400Pa.模型其他部件參數根據車型確定，一些部件參數需在模型對標過程中進行修正.

1.3 耦合計算

STARCCM+三維模型所計算的機艙對流換熱系數及空氣主流溫度，是GTCOOL一維模型中各部件的換熱邊界條件.一維模型計算的散熱器散熱量、風扇流量等信息是三維模型重要的特性參數.因此，要準確計算出機艙的實際散熱情況，就需要將一維和三維模型耦合起來，通過一定的迭代計算，得出熱流場和機艙散熱性能.

圖3為耦合計算的流程圖，從圖中可以看出，一維模型和三維模型之間需要經過多次數據交換才能得到最終計算結果.

圖3 耦合計算流程圖

Fig.3 The flow chart of coupling calculation

1.4 實驗對比

為了進一步論證耦合計算模型的合理性，利用實驗測得的數據，對耦合模型進行對比分析.汽車實際運行工況為：汽車上坡運動；道路坡度為1%左右，汽車行駛速度維持在15~17 km/h，無風，空氣溫度為33 ℃，即306.15 K.在耦合模型中，汽車運行在穩定工況中，因此設定：道路坡度為1%，汽車速度16 km/h，環境溫度306.15 K.

表1列出了機艙不同部件表面平均溫度的實測與模擬結果.其中實測值是某個部件表面多個溫度測點的算術平均值，模擬值為部件表面面積平均值.如表1所示，由于實驗條件有限以及耦合模型本身一些參數信息的不確定性，模擬值和實測值之間存在一定的誤差，但總體而言模擬結果從一定程度上反映了機艙實際的運行情況.

表1 耦合模型校驗分析表

Tab.1 The checking and analytical tabulation

of coupling model

表面名稱

實測值 /K

模擬值 /K

誤差 /K

相對誤差 /%

缸蓋

357.75

369.22

11.47

3.20

缸體左側

353.65

361.63

7.98

2.26

缸體右側

355.95

349.48

-6.47

-1.82

缸體前部

347.85

342.49

-5.36

-1.54

曲輪帶輪

335.45

343.38

7.93

2.36

油殼前

342.45

345.36

2.91

0.85

渦輪機

516.15

509.89

-6.26

-1.21

出水管

355.75

358.62

2.87

0.81

水箱

312.95

312.66

-0.29

-0.09

2 數據分析

2.1 機艙對流換熱系數

運用耦合模型，計算不同環境溫度、車速和道路坡度下機艙散熱性能，分析不同因素對平均對流換熱系數的影響.

道路坡度主要影響汽車發動機負荷，不會直接影響到機艙流場，因此可以忽略道路坡度對平均對流換熱系數的影響.圖4為不同環境溫度和車速下平均對流換熱系數的變化規律.圖4(a)為一定車速條件下，平均對流換熱系數隨環境溫度的變化規律.當環境溫度改變時，換熱系數變化很小，環境溫度每改變10 K，平均對流換熱系數變化不超過2 W/(m2·K).這說明，對于機艙這種大空間的對流換熱，環境溫度的改變，對平均對流換熱的影響是可以忽略的.

圖4(b)為平均對流換熱系數隨車速的變化規律.從圖中可以看出，機艙平均對流換熱系數隨著車速的增加而單調遞增.平均對流換熱系數在汽車低速工況變化較為劇烈，隨著車速的提高，平均對流換熱系數增加率趨于平緩.為了便于簡單的工程計算，圖4（b）給出了平均對流換熱系數與車速之間的冪函數擬合曲線，擬合公式為：

hm=6.98v0.51. (4)

式中:v為車速，m/s；hm為平均對流換熱系數，W/(m2·K).(a)主流溫度與換熱系數關系(b)車速與換熱系數關系

圖4 不同車速和環境溫度下的平均對流換熱系數

Fig.4 Averaged convection heat transfer coefficients in 

different ambient temperature and driving speeds 



2.2 流量特性

為進一步研究機艙通風散熱性能，本文對機艙流量特性進行研究，分析機艙流動阻力與空氣流量之間的特性關系.由流體力學理論［9］可知，對于一定空間結構的腔體，其空氣流量可由式(5)確定：

 Q=ηA2ΔPρ=μAu. (5)

式中:Q為空氣流量，m3/s；η為速度系數；μ為空氣流量系數，對于一定結構的機艙，μ為常數；A為入口特征面積，對于本模型的機艙，這里取A=2.0 m2；ΔP為機艙進出口空氣總壓差，Pa；u為入口平均流速，m/s.

圖5(a)顯示了機艙入口空氣流量Q隨流速u的變化規律，流量隨流速的增大而增大，且流量與流速成良好的線性關系.對于實際的汽車機艙，測量機艙入口平均流速比較繁瑣.因此，需要對汽車速度v與機艙流量Q之間的特性做出分析研究.圖5(b)顯示了機艙入口空氣流量隨車速的變化規律，流量與車速同樣滿足良好的線性關系.這說明機艙入口空氣流速與車速成一定的比例關系.為了便于工程計算，本文以車速v為變量，研究車速與機艙流量的變化規律.通過數據擬合，得出機艙空氣流量與車速之間的經驗計算公式：

Q=0.380Av=0.760v. (6)

式中:流量系數μ為0.380；v為車速，m/s.

(a)流量與流速關系(b)流量與車速關系

圖5 機艙流量特性圖

Fig.5 Characteristic diagram of engine cabin flux

3 機艙優化

上述章節對機艙散熱特性進行了詳細的分析，為提高機艙散熱性能提供了設計指導.通過對機艙熱流場分析，調整機艙布置形式，加大機艙尾部通風格柵的流通面積，計算汽車高速工況下機艙散熱性能，并對機艙調整前后散熱性能進行對比分析.圖6給出了機艙結構調整前后速度場的變化情況.表2列出了機艙結構變化前后機艙平均以及部件局部對流換熱系數的變化情況.

從圖6可以看出:機艙結構改變后，機艙迎風側流場均勻性得到一定程度的加強，空氣滯留現象有了一定程度的改善.但由于迎風側空氣流通性能的增強，而艙尾空氣排放仍受機艙結構限制，空氣流過散熱部件到達艙尾后，來不及及時排出機艙，使得艙尾右側出現了較大的空氣回流.因此，還需要通過一些誘導措施促使機艙空氣及時排出，才能有效地提高機艙的通風散熱性能.

(a)調整前(b)調整后

圖6 調整前后機艙速度云圖

Fig.6 Velocity contour of unadjusted and adjusted 

layouts of engine cabin



由表2可知，機艙結構調整后，機艙各部件表面換熱系數及平均表面對流換熱系數有明顯增加.這主要是因為在機艙迎風側，空氣流通性能得到了提高，機艙部件迎風表面對流換熱作用有了明顯增強.

表2 對流換熱系數對比表

Tab.2 Comparison tabulation of convection 

heat transfer coefficient

名稱

調整后h/

(W·m-2·K-1）

調整前h/

(W·m-2·K-1）

改變量/

(W·m-2·K-1）

發動機缸蓋

26.08

20.42

5.66

渦輪機

22.44

19.94

2.49

壓氣機

32.17

27.82

4.35

機艙平均

24.28

22.80

1.48 

4 結 語

建立了機艙散熱耦合模型，實驗對比分析表明:

1)模型計算結果與實測結果之間相對誤差在5%以內.

2)機艙散熱表面對流換熱系數的大小受環境溫度影響很小，一定結構及布置形式的機艙，對流換熱系數大小主要由車速決定.

3)一定結構及布置形式的機艙，空氣流量主要受車速影響.機艙空氣流量與車速滿足良好的線性關系.

4)改變機艙結構后，機艙對流換熱系數和熱流場有明顯變化.由此說明，不同的機艙布置形式，對機艙對流換熱系數和流場有明顯影響.

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