基于CFD數字風洞仿真的整車熱管理性能開發

蔡曉林

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產品開發中心）

整車發動機艙熱管理性能是整車開發中一個關鍵環節，發動機艙溫度場直接影響到發動機艙內零部件的性能及可靠性。傳統的整車熱環境測試要在原型車制造出來才能實施，開發周期長且成本高，所以在整車概念設計階段，進行發動機艙溫度場分析，找出最惡劣的工況、溫度最高的位置及影響因素，為車身定型和發動機艙總布置提供有力的依據，就顯得非常重要[1-3]。在新車型開發的過程中，文章創新性的運用了CFD數字風洞仿真的方法，進行發動機艙散熱分析，節省了開發時間和試驗費用，加快了研發進度。優化后整車經過試驗驗證，進氣溫度降低13℃左右，冷卻水溫度降低4.5℃，發動機艙內溫度環境都有所改善而且達標。

1 技術路線

1.1 整車熱管理性能開發目標

通過大量的熱平衡性能對標試驗，確定了前期熱平衡性能開發目標，如表1所示。

表1 整車熱管理性能開發目標

1.2 采用CFD數字風洞模擬仿真分析優化方法

與EXA公司合作，從整車概念設計階段就運用CFD數值仿真方法分析優化，改進設計，以得到最優化的前端冷卻系統。

采用該公司的PowerFLOW和PowerCOOL軟件進行一維和三維的耦合計算仿真。基于CFD數字風洞進行整車熱管理仿真分析，主要通過2個模塊進行，一個是流體計算模塊PowerFLOW三維軟件進行整車流場和溫度場仿真模擬，另一個是熱量計算模塊PowerCOOL一維軟件進行換熱器熱量交換和冷卻液溫度的仿真計算。

1.3 整車熱環境風洞試驗驗證

基礎模型的CFD數字風洞仿真結果通過真實的熱環境風洞試驗驗證基本正確后，開始做改進優化的仿真分析工作，最后得到最優化的設計，并繼續在熱環境風洞進行最終的整車試驗測試，達到開發目標。

2 整車仿真分析和驗證

2.1 仿真模型建模

圖1示出整車和發動機艙的詳細數模圖，圖2示出散熱器和冷凝器及冷卻風扇詳細數模。

2.2 仿真邊界輸入參數

表2示出建模需要的輸入參數，圖3～圖5示出建模需要輸入的換熱器壓降曲線和散熱性能曲線，圖6示出計算溫度場的熱邊界條件。

表2 整車建模輸入參數

2.3 數字風洞建模及仿真

通過真實的熱環境風洞數據測量，利用CFD軟件仿真模擬，建立了一個接近真實的數字風洞，如圖7所示，并通過試驗對數字風洞進行標定。

2.4 采用CFD優化方案

通過對基準模型Baseline的仿真分析，得到整個發動機艙內部的流場和溫度場的情況，發現通過熱交換器部件的流量偏低，在熱交換器周圍空氣泄漏嚴重、來流不均勻且有回流的現象。經過分析，提出了如下的優化方案。

1）合理設計和優化發動機艙前端模塊，設計密封和隔板，如圖8所示，隔斷熱空氣回流，減少空氣泄露。

2）優化進氣口的位置和形狀，盡量保證發動機進氣溫度較低。通過機艙溫度場的切片分析，將進氣口的位置置于一個溫度場比較低的地方，如圖9所示，并增加一個集氣口，保證其附近的流動不受高溫氣體干擾。

3）優化風扇罩的設計，如圖10所示，在原冷凝器風扇罩上增加了框架密封罩，使有效風量得到增加；如圖11所示，在原散熱器風扇罩上增加了9根肋條，使得熱交換器上風速分布更均勻。

2.5 優化后仿真分析結果

圖12和圖13示出發動機進口水平切片和進口表面溫度云圖。顏色代表了溫度的高低。從圖12a可以看到，冷卻氣流通過冷凝器之后，氣溫升高，熱氣流向后流動遇到發動機的阻擋發生轉向，在發動機進口吸氣的作用下，熱空氣進入到發動機；從圖12b可以看到，空氣溫度非常不均勻，溫差很大，平均溫度為53.6℃（326.6 K）。圖13示出優化后的結果，從圖13可以看到，進氣管向前延伸之后，進氣口進入到來流的冷空氣中，對比進氣口表面溫度可以看到溫度明顯降低，平均溫度為40.8℃（313.8 K）。優化后，進氣口的溫度降低了12.8℃，得到了很大的改善。

圖14示出Y軸面優化前后整個發動機艙內豎直切片速度云圖對比。從圖14a和14b對比結果可以看到，在散熱器下部與車架之間增加了隔板密封，消除了空氣泄漏和熱空氣回流的產生。從圖14c和14d對比結果可以看到，格柵后下平面增加了水平密封裝置，從而消除了所有從下部泄漏的冷卻空氣和熱空氣回流的可能。所有這些空氣在密封裝置的作用下，強迫進入熱交換器，從而增加了通過熱交換器的空氣流量，這從水箱冷卻水溫度降低可以證明。從圖14可以看到，格柵開口下部后面增加的引導板，把從格柵開口下部進入的風順暢的引導到熱交換器前表面，避免了冷卻氣流對框架的沖擊，形成大的漩渦。從圖14a來看，在格柵中部開口處曲線標注的區域對比來看，可以發現優化后流場要比優化前好，氣流在橫梁處的漩渦要小，冷卻模塊前端渦流有所改善。

圖15示出Z軸面發動機艙溫度場分布在優化前后的對比情況，由于優化后發動艙流場改善很多，所以整體發動機艙溫度明顯降低。

2.6 試驗驗證

在熱環境風洞中對原模型車優化后的樣車進行最終的熱平衡試驗驗證，表3示出基礎模型車改進前后仿真和試驗結果比對。圖16示出整車優化前后熱環境風洞試驗結果的溫度曲線比對。

表3 整車熱管理性能指標優化前后結果比對

從表3和圖16的試驗數據與仿真計算值相比可以看出，各自的絕對值有所區別，但下降趨勢和幅度基本一致。仿真和試驗結果都表明，在采取CFD優化措施后，進氣溫度降低很多，達13℃左右；機艙整體冷卻風量增加，冷卻模塊換熱效率提高，冷卻水溫度降低4.5℃；冷凝器和散熱器進風溫度在改進后有了明顯的下降；機艙內整體平均溫度如仿真計算所預測的那樣有所降低。因此，CFD的優化達到了預期的效果。

3 結論

在新車型開發的概念設計階段運用CFD數字風洞仿真的方法，進行發動機艙散熱分析，優化機艙內部和冷卻模塊的設計，節省了開發時間和試驗費用，加快了研發進度。優化后整車經過試驗驗證，整車熱管理性能得到了改善，進氣溫度降低13℃左右，冷卻水溫度降低4.5℃；散熱器進口冷卻水溫102.5℃、進氣溫度52℃、電池88℃及皮帶78℃等整車熱管理性能指標達到了設計之初制定的開發目標。