某型SUV車發動機艙熱管理仿真分析及優化*

杜子學　沈宏麗　葉雙平　王成杰（重慶交通大學機電與汽車工程學院　重慶　400074）

某型SUV車發動機艙熱管理仿真分析及優化*

杜子學沈宏麗葉雙平王成杰
（重慶交通大學機電與汽車工程學院重慶400074）

對某型SUV車發動機艙流場及熱態進行了仿真研究，分析了車輛在兩種不利工況下（爬坡與高速工況）發動機艙內的流場、溫度場分布規律。針對發動機艙部分元件的溫度場與速度場特性，提出了相應改進方案，并對改進模型進行二次優化，最終使發動機艙內部流場性能以及各零部件溫度場性能得到較大改善，對比試驗結果與仿真分析結果可知，仿真分析方法能夠滿足工程需要。

SUV發動機艙熱管理優化

引言

發動機艙內氣體流動狀態和熱環境十分復雜，如果流場組織不合理，會導致發動機艙內形成流動死區和局部高溫區，從而損害機艙元件，降低其使用壽命[1-2]。對于發動機艙內熱管理問題，若單純依靠試驗研究，其難度較大，費用高，且周期長。采用CFD分析方法進行汽車發動機艙熱管理分析，能夠直觀得到機艙內部流場和溫度分布規律，便于快速找到問題，合理優化內部流場，避免發動機艙內部形成流動死區及局部溫度過高區域，從而有效縮短研發周期，節約試驗成本[3]。本文運用STAR-CCM+軟件對某型SUV車初期設計車型發動機艙散熱問題進行了模擬分析，將分析結果與實驗結果進行了對比研究，驗證了發動機艙熱管理分析方法的有效性和可行性。在此基礎上，對改進車型的發動機艙散熱問題進行了仿真分析，并對改進前后的仿真分析結果進行了對比研究。

1　計算模型與邊界條件

發動機艙內零部件眾多，且結構形狀十分復雜，考慮到計算機硬件限制及計算收斂性，需對幾何模型進行簡化處理。處理后的幾何模型如圖1所示。

圖1　幾何模型

車輛行駛空間在理論上是無限的，但在實際計算時，需確定一個有限的空間范圍[4]。本文建立車前2倍車長，車后3倍車長；整個寬度為3倍車寬；整個高度為4倍車高的計算域?？紤]實際車輪承載后的變形，在計算時將地面抬高10mm。為提高計算精度、計算穩定性和收斂性，對體網格按區域進行不同程度的細化，并有選擇地生成邊界層，最終生成1 548萬單元規模的六面體核心Trimmed網格，如圖2所示。

圖2　體網格模型

根據模擬工況，確定物理模型為三維、穩態、定常密度[5]。排氣管、發動機等表面溫度均設定為試驗測得溫度；風扇采用MRF（Moving Reference Frame）模型，轉速為2 100r/min。地面為非滑移的移動地面。其他邊界條件設定見表1所示：

表1　邊界條件設定

采用多孔介質模型時，需要對表征多孔介質特性的兩個重要特性參數（粘性阻力系數和慣性阻力系數）進行設置[6]。對冷凝器和散熱器迎面風速與壓強損失關系進行試驗研究，得到的結果如表2所示，

最終建立的壓強損失與速度的函數關系式為：

表2　冷凝器及散熱器迎面風速與壓強損失關系

根據式（1）和式（2）可得出冷凝器和散熱器的粘性阻力值和慣性阻力值，具體數值如表3所示。

表3　冷凝器和散熱器性能參數

采用換熱模型后需給定冷凝器和散熱器的散熱量、參考溫度和修正溫度[7]?，F實中發動機通過冷卻系統散走的熱量很難精確計算。本文根據經驗，以當前車速對應的發動機轉速下的功率的30%為散熱器的散熱量；冷凝器散熱量通過試驗得出；參考溫度和修正溫度根據經驗給出[8]。最終得到的冷凝器和散熱器的相關參數如表4所示。

表4　換熱器參數設置

2　仿真計算結果分析

圖3　 40km/h截面BL=0速度矢量圖

取BL、TL、WL向部分截面展示仿真結果中溫度與速度的分布情況。圖3為BL=0的速度矢量截面：冷卻風從進氣格柵進入發動機艙，經過換熱器組加熱后，再從發動機艙底部流入車身底盤，換熱器組的高溫氣流經風扇排出后流向變速器和發動機。兩個風扇分別位于換熱器之后機艙中間左右的位置，在風扇的抽吸及加速作用下，風扇之后速度流場多且密集、表明速度較大。

圖4a)、圖4b)分別為40km/h、110km/h速度工況下截面BL=0局部速度矢量圖。可以看出，高速工況下，由于整體車速較高，整個速度流場密集，進入進氣格柵的氣流速度相對較大，速度流場分布比較均勻。

圖4　兩種車速下截面BL=0局部速度矢量圖

圖5a）、圖5b）分別為40km/h、110km/h速度工況下主線束溫度分布圖，由溫度分布圖可以得到溫度最高點位于散熱風扇之后。其中爬坡工況下最高溫度點溫度108.8℃，超過了其容許最高溫度8.78℃。高速工況下，主線束最高溫度75.2℃滿足容許最高溫度要求。

圖5　兩種車速下主線束溫度圖

圖6為蓄電池與發動機缸蓋缸體位置溫度分布圖，從圖中可以看出，蓄電池最高溫度處是因離發動機缸蓋近，由發動機缸蓋高溫輻射造成的。

圖6　蓄電池溫度云圖

圖7為蓄電池的溫度場分布圖，爬坡工況下，蓄電池最高溫度為80.5℃，比容許溫度80℃稍高，高速工況下，蓄電池最高溫度62.9°C，滿足容許最高溫度要求。

圖7　兩種車速下蓄電池溫度圖

圖8a）給出了爬坡工況下風扇表面溫度分布情況，風扇位于散熱器的正后方，散熱器出風面的溫度是114.2℃，所以風扇大部分區域高溫，因為葉片邊緣速度大，所以溫度略有降低。圖8b）是風扇速度分布圖，從中心到葉片邊緣速度逐漸增大，這與溫度從中心到葉片邊緣溫度逐漸降低是一致的。

圖8　風扇葉片溫度、速度分布圖

高速工況下，壓縮機吸入管最高溫度80.6°C、壓縮機排出管最高溫度80.7°C，均不超過容許最高溫度。爬坡工況下壓縮機吸入管最高溫度107.4℃；壓縮機排出管最高溫度107.2℃，分別高出容許溫度7.4℃、7.2℃，其最高溫度部位均在風扇之后。對風扇的表面溫度分布分析知，風扇后區域由于換熱器加熱所以熱量較大。

爬坡工況下局部元件溫度偏高，蓄電池、壓縮機吸入管、壓縮機排出管這些元件最高溫度都在熱源附近，可以通過加隔熱罩來防止熱量輻射導致的溫度過高現象，但由于這些部件最高溫度基本滿足了工作要求范圍。而高速工況下，車速高，冷卻風從進氣格柵進入發動機艙流量多且均勻，說明格柵進氣量對發動機艙內元件散熱有重要影響。為此，在原設計車型的進氣格柵處加L型導流板來改善整車的部分流場分布，如圖9所示。在此基礎上再次進行仿真分析，觀察對發動機艙內元件溫度的影響。截取加入導流板后40km/h BL=0局部速度矢量圖，如圖10所示?？梢钥吹?，進入進氣格柵和風扇后的氣流更加均勻，流場的分布更趨于合理。對爬坡工況下最高溫度偏高部件進行加入導流板前后的最高溫度對比，從表5中可以看出，進氣格柵加L型導流板后關注件最高溫度均降至容許溫度范圍內。

圖9　加導流板的進氣格柵

圖10　 40km/h BL=0局部速度矢量圖

表5　進氣格柵加導流板前后關鍵部件最高溫度對比表℃

3　機艙溫度場試驗研究

在熱管理仿真計算完成后對某型SUV車進行了機艙溫度場試驗，用膠帶將傳感器貼在重點關注部件如蓄電池、ECU、托架膠套等元件的表面（如圖圖11所示）測量其工作溫度，試驗得到的結果如表6所示。對各零部件的試驗溫度值和計算溫度值進行誤差分析可知，測量值與計算值出現的最大偏差為10.4%，該誤差在允許的精度范圍之內，從而驗證了發動機艙熱管理分析方法的有效性和可行性。

圖11　發動機艙熱管理試驗

表6　發動機艙溫度場試驗與仿真數據對比表

4　結論

通過對某型SUV車發動機艙熱管理模擬分析和試驗研究，得出如下結論：

1）利用CFD軟件模擬汽車發動機艙散熱過程，得到發動機艙的溫度場、速度場以及關注件的表面溫度分布，從而確定發動機艙內各部件最高溫度發生的位置，為車身造型和總布置提供參考。

2）對發動機艙內局部溫度偏高元件進行了重點研究。結合發動機艙內冷卻氣流的流速大小和流向，得出造成其最高溫度偏高的原因并提出了改進方案。通過對改進方案進行模擬分析，驗證了該方案的合理性。

3）將仿真分析結果與實驗結果進行對比，可得出其相對誤差在允許范圍之內，從而驗證了仿真計算方法的有效性。

4）對兩種工況下發動機艙熱管理進行了分析。結果表明，格柵進氣量對發動機艙內元件散熱有重要影響。

1趙新明.發動機艙內溫度場的可視化分析及改善措施［J］.中國機械工程，2004，15(14):1306-1308

2唐因放.發動機艙散熱的CFD研究［J］.北京汽車，2009(4): 1-4

3王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004

4蔣光福.汽車發動機艙散熱特性研究［J］.汽車科技，2006（5）：18-23

5陶文銓.傳熱學[M].西安：西北工業大學出版社，2006

6 John F.Wendt.Computational Fluid Dynam ics［M］.Berlin: Springer，2008:3-14

7袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車發動機艙散熱的數值仿真分析［J］.汽車工程，2009，31(9):843-847，853

8肖能，王小碧，史建鵬.某車型機艙熱管理仿真分析及優化［J］.汽車科技，2014（5）：56-61

Simulation Analysisand Optim ization of ThermalManagement ofa Certain TypeofSUVVehicleEngineCompartment

Du Zixue,Shen Hongli,Ye Shuangping,W ang Chengjie
SchoolofMechanical-Electronicand AutomobileEngineering,Chongqing JiaotongUniversity (Chongqing,400074,China）

A simulation study of the flow field and thermal state of the engine compartment of a certain type SUV car engine is carried out.The flow field and temperature field distribution of the vehicle in the engine compartment under the condition of two kinds of adverse conditions are analyzed.For the temperature field and velocity field characteristics of the engine compartment,the improved scheme is put forward,and the improvedmodel is optimized for the two times.In the end,the performance of the engine room is improved,and the temperature field of the parts is improved.The simulation analysismethod can meet the engineering needs.

SUV,Engine compartment,Thermalmanagement,Optimization

TH128，TP319

A

2095-8234（2016）02-0048-04

2016-01-18）

國家自然科學基金項目（項目編號：51475062）。

杜子學（1962-），男，博士，教授，主要研究方向為現代車輛設計方法與理論。