商用車發動機艙熱管理一維/三維聯合仿真與試驗

郭健忠　羅仁宏　王之豐　胡　溧　吳　勇

1.武漢科技大學,武漢,430081　　2.浙江吉利汽車研究院有限公司,寧波,315336

商用車發動機艙熱管理一維/三維聯合仿真與試驗

郭健忠1羅仁宏1王之豐2胡溧1吳勇1

1.武漢科技大學,武漢,4300812.浙江吉利汽車研究院有限公司,寧波,315336

摘要：為解決某商用車在額定工況下發動機出水溫度偏高的問題，分別利用三維、一維和一維/三維聯合仿真工具，對樣車的發動機艙流場特性以及冷卻系統性能進行了研究。通過一維/三維聯合仿真結果與臺架試驗測試數據的對比分析，驗證了一維/三維聯合仿真模型的可靠性；同時針對發動機艙出現的熱回流現象,提出了相應的改進措施并進行道路測試，測試結果顯示：改進后，發動機出水溫度下降3.7 ℃,驗證了改進方案的有效性。通過一維/三維聯合仿真可以提高發動機艙熱管理的分析效率，縮短開發周期。

關鍵詞:發動機艙;熱管理;一維和三維聯合仿真;熱回流;試驗

0引言

近年來，隨著商用車發動機功率的不斷提升，機艙內產生的熱流密度也隨之增大[1];為了滿足汽車的美觀性以及駕駛室舒適性等方面的要求，前置商用車進氣格柵面積和發動機艙空間被設計得越來越小；同時，汽車的動力性、經濟性等方面要求使發動機艙內添加了更多的發熱裝置。商用車的使用環境相對惡劣且熱負荷大，普遍存在發動機冷卻液溫度偏高的問題[2],冷卻液溫度過高不僅會加劇發動機的摩擦損失，而且會嚴重影響發動機的可靠性、動力性和經濟性等。因此，針對發動機艙熱管理的研究十分必要。在有限的發動機艙內，設計一個高效、節能且可靠的冷卻系統，并且合理地引導冷卻氣體在發動機艙內流動，成為整車開發設計的一個重要環節。

計算流體力學和計算傳熱學的快速應用，使得模擬仿真計算成為一種高效且實用的研究手法[3]。通過數值計算，能在產品開發前期，初步得到汽車機艙的流場分布以及冷卻系統的散熱情況，這為發動機艙的總布置和冷卻系統的匹配提供了有力的理論依據[4],避免了產品后期大的改動，降低了工程成本。

三維仿真計算能直觀給出冷卻空氣在發動機艙的流動情況以及整車的壓力分布，但對于汽車冷卻模塊的熱交換計算則需要投入大量的時間和資源；一維仿真雖然不能像三維仿真計算那樣考慮到所有細節，但它需要的計算資源少，計算時間短，能獲得較好的計算結果[5]。而傳統的一維和三維仿真計算是各自獨立進行的,不能很好地發揮各自的優點。為了充分發揮一維仿真計算和三維仿真計算的優點，本文聯合使用一維與三維計算方法，將三維仿真得到的速度場轉化為阻尼系數矩陣，以自定義曲面方式導入一維軟件中，通過一維仿真計算出散熱器進出水溫度，并通過仿真結果與試驗數據的對比分析，驗證了一維/三維聯合仿真計算模型的可靠性，同時針對機艙內存在的熱回流現象提出相應的改進措施，通過對改進前后的樣車進行道路測試，驗證改進方案的有效性。

1三維整車CFD分析

1.1數值模型的建立

汽車的車速遠小于聲速，可認為汽車周圍空氣密度不可變，即不可壓縮空氣[6]。由于發動機艙內零部件結構復雜多變，氣流在機艙內容易出現分離現象，故仿真計算按湍流流動處理。

為了降低模擬風洞中的阻塞效應、洞壁效應和雷諾效應對仿真計算精度的影響，計算域設定為：車前取4倍車長，車后取6倍車長，車兩側各取5倍車寬，高度取7倍車高[7],如圖1所示。計算域的入口邊界設定為速度入口，計算域的出口邊界設定為壓力出口，車身地面邊界設為非滑移壁面，計算域的其他壁面設定為滑移壁面。

圖1　汽車風洞模型

1.2熱交換器模塊的建立

由于熱交換器(中冷器、散熱器)中存在大量的換熱管道和結構復雜的翅片，若直接模擬散熱器換熱流動，則生成的網格數目將非常大，加大了工程成本。為節約計算資源和時間，熱交換器采用多孔介質模型來模擬冷卻風通過熱交換模塊時的壓力損失。在多孔介質模型中，流動的阻力被分解到給定的方向，并通過源項的方式，添加到動量方程中。源項的系數可由下式推算出：

(1)

其中,Δp為壓降；L為多孔介質厚度;α為空氣穿透系數;μ為黏性系數;C2為多孔介質內部損失系數;v為來流速度;Pi為慣性阻尼系數;Pμ為黏性阻尼系數。對樣車的熱交換器進行臺架試驗，如圖2所示。

圖2　熱交換器風阻特性試驗

從熱交換器的臺架試驗可以獲得迎風風速和熱交換器的進出口壓降數據，運用最小二乘法擬合得到換熱器慣性阻尼系數Pi和黏性阻尼系數Pμ,結果見表1。

表1　 熱交換器多孔介質參數

風扇的計算采用MRF法[8],整個計算過程遵守質量守恒、動量守恒和能量守恒定律,控制方程采用有限體積法，能量方程采用的是二階迎風插值格式，迭代方式采用SIMPLE算法。

1.3計算結果分析

由于樣車在額定功率點(功率為110kW,發動機轉速為3600r/min)、環境溫度為31 ℃的試驗工況下,開展整車熱平衡試驗時發現發動機出水溫度偏高,超出車輛冷卻要求,故選取額定功率點工況進行仿真分析。

圖3　機艙跡線圖

通過三維仿真計算可以直觀地顯示發動機艙氣體的流動情況，如圖3所示。從圖3可以清楚地看到發動機艙出現了明顯的熱回流現象,這是因為冷卻氣體從進氣格柵流入發動機艙,依次通過中冷器、散熱器和冷卻風扇，從風扇流出后的受熱氣體在撞擊到發動機前端面后導致部分受熱氣體再次流經冷卻模塊,使冷卻模塊發生了熱回流現象,嚴重影響了冷卻模塊的換熱效率，需要對發動機艙結構進行改進。

2一維冷卻系統模型

汽車的冷卻系統由熱交換模塊(中冷器、散熱器)、護風罩、冷卻風扇、橡膠管、發動機水套等構成，承擔著發動機的散熱功能，以確保汽車能夠穩定高效地運行。本文研究樣車的發動機為增壓中冷式柴油發動機，其冷卻系統的布置如圖4所示。

圖4　汽車冷卻系統布置圖

根據樣車的結構形式，分別設計空氣側和水側兩大部分。空氣側是由空氣流道特性CP值(汽車行駛過程中空氣流動而引起壓力的變化)和中冷器、散熱器、冷卻風扇以及內部阻力模塊等構成的。根據樣車冷卻系統的結構布置，搭建了樣車冷卻系統空氣側模型，如圖5所示。

圖5　空氣側模型圖

由流體力學知識可知，氣流從外部流經較小面積的格柵再流入較大面積的機艙空間過程中，氣流截面面積突然發生變化而造成壓力變化，在KULI軟件中這部分壓力的變化可用靜壓力變化進行描述：

(2)

其中,CP為空氣流道特性;ρ為冷卻空氣密度;vinlet為冷卻空氣速度。通過三維CFD計算出樣車前臉格柵處的壓降變化來確定CP值為0.8。

水側是指冷卻液循環和空調循環等構成，水側模型如圖6所示。水側模型包含散熱器冷卻液回路和中冷器流體回路。各冷卻部件參數值由零部件供應商提供。

圖6　水側模型

在傳統一維軟件KULI中,設定散熱器迎風面上的冷卻風速是均勻分布的。但實際上,冷卻風速在散熱器迎風面上是不均勻的分布，是由冷卻風扇和機艙特定空氣道共同引起的。而這種均勻的設定會影響散熱器中冷卻液與冷卻空氣之間傳熱計算的準確度,造成仿真計算結果誤差偏大，應加以改進。

3一維/三維聯合仿真

在發動機艙熱管理研究中，鑒于一維、三維單獨分析的局限性，可以結合一維/三維聯合分析方法進行研究。

為了使計算更加真實可靠,在KULI中把散熱器分割成離散的小塊，通過每個小塊上定義的阻力矩陣來模擬計算出每個小塊上冷卻風帶走的熱通量[8]。而散熱器表面速度分布可以通過CFD計算得出,把CFD計算得到的速度矩陣導入KULI中，在KULI中轉化成相對應的阻尼系數ζ分布圖,如圖7所示。

圖7　散熱器表面阻尼系數分布圖

KULI結合CFD的聯合仿真計算相對于傳統一維仿真來說更加充分地考慮到車輛實際運行中散熱器的阻力分布情況，從而更加真實地模擬出車輛前端冷卻模塊氣流流動狀態，使得散熱器的換熱計算更加可靠。仿真工況為樣車的額定功率工況，發動機轉速為3600r/min，行駛車速為39km/h,環境溫度為31 ℃,環境壓力為一個標準大氣壓,仿真計算結果見表2。

表2　試驗測試值與仿真結果對比

4試驗驗證

4.1試驗條件

在輪轂試驗臺上對本次研究樣車進行整車熱平衡試驗,如圖8所示,試驗過程采用大流量風機和軸流通風機來等效模擬汽車在行駛中的來流空氣,試驗室環境溫度由空調機組控制，并在汽車進氣格柵前40cm處布置溫度傳感器,用來校對試驗環境溫度，試驗環境溫度為31 ℃。

圖8　樣車熱平衡試驗實物圖

試驗工況為汽車額定載荷下，發動機額定功率(功率為110kW,發動機轉速為3600r/min),Ⅱ擋擋位，車速為39km/h。如圖9所示,在散熱器進出口處以及機艙重要部件處布置WRNK-391型溫度傳感器，并用多通道數據采集儀器來采集并記錄試驗數據。

圖9　發動機艙溫度采集實物圖

4.2模型可靠性的驗證

通過試驗結果與仿真結果的對比分析，來驗證KULI結合CFD計算結果的準確性。從表2可以看出仿真結果與試驗數據存在一定的誤差,造成誤差的主要原因如下：數值計算過程中某些部件做了簡化處理,試驗過程中各種參數的測量存在誤差,但誤差都不超過5%，因此，可認為KULI結合CFD的計算模型是可靠的。

5發動機艙的改進

5.1改進方案

用于評價汽車冷卻系統冷卻能力性能的方法有很多，本文采用最常見的評價方法，即冷卻系數K來衡量改進方案的有效性。冷卻系數K的計算公式為

K=θ1-θ0

(3)

式中,θ1為發動機出水溫度;θ0為環境溫度。

K越小，則發動機艙的散熱性能越強[9]，根據車輛冷卻系統的設計要求，K必須小于60。

通過三維CFD軟件對發動機艙內流場的計算分析，發現機艙散熱器明顯存在熱回流現象(圖3)，降低了散熱器的換熱能力。為了避免發動機艙內出現熱回流現象以及為解決發動機出水溫度偏高的問題，對散熱器安裝了防回流導流罩和散熱器導流板，如圖10所示。

(a)風扇導流罩(b)散熱器導流板圖10　改進方案

圖11為改進前后發動機艙空間跡線對比圖。可以看出:添加改進裝置后有效地減少了冷卻模塊的熱回流現象；同時安裝了散熱器導流板，散熱器的進風量增加有利于提高樣車的冷卻模塊的散熱能力。

(a)原始發動機艙空間跡線圖

(b)改進后發動機艙空間跡線圖11　機艙跡線對比圖

一維/三維聯合仿真計算出散熱器改進前后出水溫度的對比見表3。結果表明改進后的散熱器進水口溫度下降了3.6 ℃,冷卻系數K小于60,滿足汽車冷卻系統要求。

表3　改進前后散熱器進水口溫度對比　℃

5.2改進方案的驗證

為了驗證改進方案最終的效果,試制了風扇導流罩和散熱器導流板,如圖12所示。安裝風扇導流罩和散熱器導流板后,對樣車進行了熱平衡道路試驗。樣車按照GB/T12534進行預熱,試驗過程中樣車裝沙袋至額定載荷以模擬乘客滿員運行情況如圖13所示,摘除節溫器，堵死小循環以保證冷卻系統始終處于大循環工作狀態，油門全開,Ⅴ擋行駛,發動機轉速保持在功率點(3600r/min)左右運行，在高速跑道上進行道路測試，行程為100km,通過整車測試系統采集并記錄散熱器進出口水的溫度。

在相同試驗條件、試驗工況下，對改進前后的樣車分別進行上述道路測試，測試結果表明：改進后散熱器進水溫度下降了3.7 ℃,冷卻系數K小于60,達到車輛冷卻要求,同時也驗證了改進方案的有效性。

圖12　改進方案實物圖

圖13　樣車道路測試

6結論

(1)利用數值計算工具可以在汽車開發前期對發動機艙的流動特性和發動機冷卻系統的性能進行研究，有利于機艙內冷卻氣體的組織和發動機冷卻系統的匹配研究，從而避免了機艙熱危害的出現。

(2)通過試驗數據與一維/三維聯合仿真結果的對比，驗證了一維與三維聯合計算模型的可靠性，這特別適用于車輛開發前期發動機艙熱管理的研究，有利于縮短開發時間，降低工程成本。

(3)通過三維CFD發動機艙流場分析，發現機艙內出現熱回流現象。通過安裝風扇導流罩,有效地阻止了熱回流,避免了循環加熱而造成散熱器散熱能力的下降。同時添加散熱器導流板,有利于增加散熱器冷卻風的進氣流量，從而提升散熱器的散熱性能。

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(編輯陳勇)

Testand1D/3DCo-simulationofThermalManagementforaCommercialVehicleEngineCompartment

GuoJianzhong1LuoRenhong1WangZhifeng2HuLi1WuYong1

1.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,4300812.GeelyAutomobileResearchInstitute,Ningbo,Zhejiang,315336

Abstract:In order to solve the problems of engine outlet water high temperature at rated power conditions.3D,1D and 1D/3D co-simulation tools were used to analyze the characteristics of heat dissipation in the engine compartment and the performance of cooling system respectively.Comparing the results of 1D/3D co-simulation and bench test,the results show the simulation results are in good accordance with test data,so the simulated model is reliable.At the same time,appropriate measures for improvement to avoid the thermal reflow phenomenon in a commercial vehicle engine compartment were proposed, then the road test was carried out.It shows that the measured outlet coolant temperature of engine reduces by 3.7 ℃, the effectiveness of the improved program is verified. By the 1D/3D co-simulation, the analysis efficiency of the underhood thermal manage can be improved greatly, the development cycle will be reduced.

Key words:engine compartment;thermal management;1D/3D co-simulation;thermal reflow;test

收稿日期：2014-04-08

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51105283)

中圖分類號：U461

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.018

作者簡介：郭健忠,男,1969年生。武漢科技大學汽車與交通工程學院副教授。主要研究方向為汽車節能與排放控制技術。羅仁宏,男,1989年生。武漢科技大學汽車與交通工程學院碩士研究生。王之豐,男,1989年生。浙江吉利汽車研究院有限公司工程師。胡溧,男,1977年生。武漢科技大學汽車與交通工程學院副教授。吳勇,男,1990年生。武漢科技大學汽車與交通工程學院碩士研究生。