卡車發動機艙流場與散熱性能的分析

盧艷艷（天津雷沃動力有限公司，天津　300402）

卡車發動機艙流場與散熱性能的分析

盧艷艷
（天津雷沃動力有限公司，天津300402）

基于卡車發動機艙散熱環境的影響，使用CFD軟件對卡車發動機艙流場、溫度啟用仿真數值計算，關注對流、換熱、輻射等影響因素，仿真出冷卻模塊與高溫原件的散熱原理，對卡車發動機艙中的情況進行有效的分析。本文通過對CFD模型；邊界條件；計算結果及分析三個方面進行了簡單的分析。

發動機艙；流場；溫度場；數值模擬；CFD

0　引言

隨著社會科學的不斷進步，人們對整車系統的熱管理研究與內外流的熱傳有了更高的要求。卡車的發動機包括：冷卻系統、發動機本體、排氣歧管、油水電管路、高溫熱源、危險部件等。卡車發動機艙熱輻射性很大，與內外流形成固共扼傳熱效應，因此，要改善這種惡劣的環境，提供科學的發動機艙布置與優化方案。

1　CFD模型

1.1數值方法

在進行計算的過程中，要考慮卡車的車速與聲速，還要考慮空氣密度的變化情況等，當馬赫數值很低的時候，在低速空氣動力學之中，屬于一種不可壓縮氣體。發動機艙的結構非常的復雜，有時會發生分流的情況，出現渦流，因此，可以使用有線體積法離散法控制方程。使用SIMPLE算法獲取離散方程組的壓力與速度耦合，在計算的全過程中，使用質量守恒、動量守恒、能量守恒定律，遵照湍流運輸方程。

1.2選擇網格劃分與計算域

依據風洞試驗中的洞壁干擾、阻塞效應、雷諾數效應等影響情況下，對成車進行有效的設定：前距離與車長比是3：1，后距離與車長比是5：1，兩側與車寬比是10：1，高度與車高比是5：1，總截面積與車身截面積比是50：1。如圖1所示，由于受到分子粘性的影響，與壁面相鄰接的粘性底層中，湍流的數很低，所以，可以布置多個節點，在模型表面形成3層共3mm，地面表面形成6層共5Omm的邊界層來模擬近壁面氣體的流動，并對前格柵、發動機艙、車身下地面等主要流動和溫度區域進行局部加密，網格總數約是1780萬。

圖1　整車和計算域圖

1.3換熱器與風扇的模型

由散熱器、中冷器、冷凝器等組成了卡車發動機艙內的換熱器，主要的性能包括：換熱器內部的流動特點、空氣側的流動特點、換熱器本身使用材料、結構等。換熱器結構主要是板翹，所有內部的通風口設計的很小，使得網格不能直接捕捉到內部流動的變化，基于節約計算資源基礎下，通常使用熱交換器模型模擬換熱情況。

2　滿足邊界的條件

滿足邊界的條件有：速度入口、壓力出口、固體壁面等。車底流場直接受地面環境等因素的影響，可以對擾流特性、車底流場、發動機艙內流情況進行干擾。所以，在計算的過程中，要考慮車身前端地面的滑移程度，后端地面的移動程度等因素，降低影響。使用湍流強度與特征尺度公式進行計算，具體如下：

式中：I表示湍流特征強度；L表示湍流特征尺度；LH表示模型特征尺度；Re表示雷諾數；u表示入口來流速度；P、μ表示當前溫度下空氣的密度和粘度。

3　計算結果及分析

（1）分析與改進措施。分析：最大的扭矩工況、額定功率工況對發動機機艙散熱起到的作用。首先，通過截面圖分析基于最大扭矩工況背景下發動機艙內的流場和溫度場狀況。氣流可以經過上下格柵、保險杠、格柵間的接縫進入到機艙內，形成流向冷卻模塊。通過中冷器、散熱器的運行，對后流速起到降低的作用，經過散熱器后端的冷卻風扇的抽吸作用后流速急速上升。在散熱器上端出現了明顯的渦流現象，并沿著駕駛室的下端回流到散熱器的前端。空氣回流導致了冷卻模塊的循環加熱，發動機艙的高溫區域在散熱器的后端和排氣歧管和渦輪增壓器附近的區域，最高溫度在118℃時，發動機艙的散熱環境很惡劣，要對艙內結構阻比回流進行優化。散熱器下端的導流板導流作用不明顯，影響了中冷器的進風量。

改進措施：①在散熱器兩側與車架縱梁之間添加阻風板，阻斷回流。②在散熱器的上端添加隔板，隔斷散熱器上端的回流。③增大散熱器下端導流板的面積，增強散熱器與中冷器的進風量。④動在中冷器和散熱器之間添加密封板，減少散熱器和中冷器之間的氣流泄漏。

（2）改進結構前后對比分析。改進結構前：受到熱回流的影響，中冷器前端的車架橫梁區域覆蓋著一層溫度是60℃左右的熱空氣，散熱器上端部分很多的熱空氣。改進結構后：添加阻風板以后，在中冷器前端的區域，空氣溫度與環境溫度適中，極大的改善了艙內的熱環境。因此，在散熱器上端添加隔流板很好的隔絕回流。對比分析：改進結構散熱器前端的區域存在大量高溫氣流，證明了之前對流場分析的熱空氣是沿著車架回流的設想。利用在散熱器兩側添加阻風板的方法，改善了散熱器前端的空氣溫度與冷空氣適宜，說證明了阻風板可以有效的隔斷回流。添加阻風板可以有效的阻擋回流的發生，改善艙內的熱環境。

4　結束語

綜上所述，使用CFD軟件對模擬汽車發動機艙散熱情況進行分析，包括發動機艙的流場與溫度場分布，同時對冷卻模塊的散熱性能進行校核。得出，熱回流可以影響發動機艙內的散熱環境，使得工作環境很惡劣。阻風板可以有效的改善回流現象，解決工作環境問題，提高導流效應，加強冷器的進風量。密封板可以提高中冷器與散熱器通道的密封性，減小漏風，增強散熱的效率。

［1］曹國強，王良模，鄒小俊，袁劉凱，劉立軍.卡車發動機艙流場分析與散熱性能研究［J］.機械設計與制造，2013（8）45-46.：

［2］胡文成，王良模，鄒小俊，劉立軍.卡車發動機艙內流動和散熱特性數值分析［J］.機械設計與制造，2014（4）：79-80.

［3］肖利英.微型汽車發動機艙散熱性優化研究［J］.小型內燃機與摩托車，2013（6）：654-655.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.062