某N1類車型熱管理仿真分析

胡 杰（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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某N1類車型熱管理仿真分析

胡 杰
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先對整車熱管理開發設計過程中的仿真分析過程進行了內容描述。然后以解決某N1車型熱平衡問題為載體，展開介紹發動機水泵性能匹配、冷卻水路匹配、整車換熱零部件散熱器和中冷器等的相關匹配設定，以及針對整車實際流場分布和熱害部件的識別及風險提出相應的解決方案。將熱管理開發設計的仿真理念、思路、過程與試驗數據支持進行結合，描述了一套較為系統、完整的仿真設計分析方法。在性能摸底和針對性優化方案的轉轂熱平衡驗證過程中，有效解決整車熱平衡熱害問題，同時對比仿真分析與試驗驗證結果的吻合度，最后總結熱管理系統仿真分析對整車開發的貢獻。

熱管理；仿真分析；試驗驗證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.020

CLC NO.: U467.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)08-61-08

1、熱管理開發設計介紹

隨著汽車工業的發展，中國的家庭擁有汽車數量已經達到了10輛/百戶，在接下來的十年中，這個數字有可能突破。汽車已經成為人們生活不可

缺少的一種生活習慣和生活方式。隨著汽車數量的增加，汽車節能的問題、環保以及乘客舒適性的問題都越來越受到重視，這些方面的要求也越來越高。隨著汽車各方面標準的提高，汽車廠家們紛紛開始進行熱管理技術的研發。

熱管理技術從系統集成設計和整車協同開發的角度，將發動機與整車之間關系，通過冷卻系統、潤滑系統、空調系統等集成為一個有效的熱管理系統，對各子系統進行設計集成、制造集成，向模塊化方向發展。

熱管理概念的提出，不僅是技術的進步，更是管理、設計思想上的突破。在世界各國的汽車發展研究計劃中，熱管理均為主要研究內容之一，熱管理技術成為汽車節能、提高經濟性的重要措施，并具有十分廣闊的前景。

熱管理為當前汽車設計必要的研究課題之一，在SAE年會上已成為同車身、發動機、電子和環保等主題相并列的討論專題，可見國際汽車工業對其重視的程度。先進的汽車發動機熱管理系統設計必須同時考慮發動機及冷卻系統、潤滑系統、空調系統以及發動機艙內外的相互影響，為一項巨大的系統工程。仿真成為一種非常有效并具有潛力的手段，對熱管理系統的成功開發與設計帶來非常顯著的作用。

1.1熱管理開發設計的優點

隨著計算機和計算技術迅速發展而蓬勃興起的計算流體力學(CFD)和計算傳熱學(NHT)為汽車發動機熱管理的設計研究開辟了新的途徑，仿真已成為熱管理研究與設計的基本工具。同實驗相比，仿真具有可預先研究、無條件限制、信息豐富、成本低、周期短等一些顯著特點。

1.1.1可預先研究

在熱管理系統開發過程中，可對熱管理系統性能進行預先研究。熱管理仿真分析可與發動機熱管理系統部件設計、系統集成設計和汽車總布置設計交叉進行，得到最佳的系統集成匹配，在汽車設計的初期階段就能對發動機熱管理性能進行預測、分析和優化，為發動機熱管理系統設計、匹配優化和集成提供依據。

1.1.2無條件限制

仿真可在廣泛的氣候條件和行駛工況范圍內對汽車發動機熱管理性能進行研究，無湍流、風速、風向、氣溫、氣壓、Re數和工作極限條件等限制。沒有洞壁干擾、風洞堵塞效應等影響，可避免支架干擾、模型彈性變形等技術問題以及道路實驗條件和交通狀況的影響。

1.1.3信息豐富

廣泛設定條件對汽車各種行駛狀況下發動機熱管理系統性能進行模擬，可獲得比實驗更加豐富的信息，有些甚至是目前實驗難以測量和解釋的信息。譬如，研究缸內流動與傳熱特性，仿真比實驗更具優勢。動態過程的熱管理系統動態特性以及系統之間的非定常相互作用問題，實驗難以研究，仿真方法則具有獨特的優點。

1.1.4成本低、周期短

熱環境風洞實驗是研究汽車發動機熱管理的有效方法，但熱環境風洞投資大、實驗周期長，統計表明中型以上風洞投資以億元計。仿真則成本低、周期短。

然而，建立正確的熱管理數學物理模型，必須與實驗研究相結合。汽車發動機熱管理流動與傳熱仿真的數學模型為十分復雜的多維非線性偏微分方程組。在汽車發動機熱管理仿真分析中，仍要在對一些較簡單、線性化、與原問題有密切關系的模型方程嚴格數學分析的基礎上，推理出求解問題數值解的理論依據，通過數值計算、實驗和物理特性分析，驗證計算方法的可靠性，并進一步改進計算方法。

1.2目前國內外的熱管理開發設計的發展趨勢

1.2.1精度越來越高

分析采用的計算網格逐日增加，計算量越來越大。

1.2.2越來越專業化

物理數學模型應用了汽車空氣動力學與熱管理的最新研究成果，包括地面效應、適應發動機艙內外分離流動的湍流模型等，專業程度高。

1.2.3工程化越來越強

熱管理開發設計在設計的整個過程中都需要將開發設計理論分析與計算與工程實際經驗相結合，做出工程上容易實施、省錢、省力的開發設計流程和內容。

2、某N1車型熱管理開發設計

2.1熱管理設計系統的基本原理

由于發動機熱管理系統的復雜性，在建模過程中將進行系統分解，即先暫時完全“切斷”系統中各子系統(部件)間的狀態關聯，將熱管理系統分解為若干相對簡單的子系統，利用相應的基礎理論，采用模塊化建模方法，分別建立起各子系統的動力學模型，然后把這些局部模型綜合起來，構成描述復雜熱管理系統動力學過程的數學模型，開發出熱管理仿真軟件平臺系統。

發動機熱管理仿真系統主要包括以下兩部分：

2.1.1熱管理系統的關鍵部件/子系統仿真模型

熱管理仿真研究基于熱管理系統各部件仿真模型。采用模塊化建模方法，對發動機、換熱器(散熱器)、風扇、水泵、節溫器、暖氣芯，以及各種閥門、管道、接頭、彎頭等進行性能分析(如圖5所示)，建立熱管理系統關鍵部件/子系統的流動與傳熱物理數學模型。各仿真模型通過試驗驗證，可根據研發過程中仿真的需要選取不同的模型。

2.1.2熱管理流體網絡集成仿真系統

以關鍵部件/子系統仿真模型為基礎，考慮各部件/子系統之間的流動與傳熱耦合效應，對各部件/子系統進行集成綜合，建立熱管理流體網絡系統的復雜動力學過程的物理數學模型，在FLOWMASTER(FM2)軟件平臺的基礎上進行二次開發，建立熱管理流體網絡仿真系統。熱管理流體網絡仿真系統可計算發動機負荷、工況和外部條件，控制數據在不同軟件包之間的傳遞。

發動機艙內流場及溫度分布對熱管理系統的性能具有十分關鍵的影響，而發動機艙內流動和發動機艙外的汽車周圍流場具有強烈的相互耦合作用。通過對汽車繞流和發動機艙內的復雜離旋渦流動結構特點和機理進行研究，發展相應算法，對FLUENT進行二次開發，可以很好的解決這些問題。

2.2熱管理開發設計

在整個熱管理開發過程中，我們共進行了三個部分的設計開發工作。

2.2.1發動機冷卻系統的性能設計

在發動機冷卻系統的性能設計中，主要包含下面三個表中的內容，不同階段的設計內容不同。

在整個設計階段，需要完成：

冷卻系統回路設計：對發動機提供的冷卻水路原理圖進行合理性判定，并根據原理圖進行適當的調整，項目過程中，標桿車中是沒有EGR冷卻器的，后來添加了EGR形成了下面的回路。

冷卻回路流量分配設計：每個冷卻的零部件有其使用的最低水量要求，根據系統的匹配及壓力平衡，保證水泵能力的前提下盡量滿足零部件供水要求后將大部分冷卻水輸送到散熱器，本車型的分析數據如表1所示，滿足要求

表1　本車型零部件水量分布

整車路試工況及極限工況設定：根據本車型的市場要求，設定極限環境溫度和極限工況，本車型如表2所示。

表2　本車型熱管理邊界設定

機艙內散熱部件的散熱量：根據整車的水路布置，對其中發動機、油冷器、EGR等水冷裝置的散熱量進行評估分析，如表3所示。

表3　散熱量預估

散熱器的匹配設計：選定合適的散熱器性能，如表4所示。

表4　散熱器匹配結果

散熱器的匹配設計：選定合適的風扇性能，如表5所示。

表5　風量匹配結果

格柵有效面積設定：整車前格柵對冷卻系統的貢獻較小，因為格柵距離散熱器較遠，行車過程中大多數的低溫空氣從車底進入散熱器，故不做優化。

中冷器的匹配設計：選定合適的中冷器性能，中冷器性能如圖8所示。

冷凝器的匹配設計：選定合適的冷凝器性能，冷凝器前端風量匹配結果圖9所示。

管路直徑匹配設計：選定合適管路直徑，管路內徑設定見表6。

表6　管路內徑

1D/3D耦合分析：與三維流場、溫度場進行耦合數據傳遞分析，修正計算輸入。

降成本設計：結合三維分析，進行性能的降成本設計，例如燃油箱隔熱罩可以從整個面覆蓋，優化成如圖10中的局部覆蓋。

2.2.2機艙內流動分布

前端冷卻系統風量計算：完成三維模型創建及網格劃分、不同行車工況下，前端進氣量計算、冷卻系統性能校核、前端引流以及導流、密封設計。對散熱器周邊進行了密封、在散熱器頂部的密封去掉了一部分以增加機艙內的冷風，同時在中冷器下方增加了導流板以增加冷卻風量，如圖11～圖13所示。

進氣系統阻力計算：進氣口壓力速度計算、防水優化。整車優化了進水口的擋水板設計。

機艙內流場計算：機艙內流動壓力計算、流場分布計算。在散熱器上方進風，在蓋板上增加導流板優化了機艙內的流動，如圖14所示。

機艙內流動死區分析：尋找可能的熱害點及流動死區。在發動機上方原來為流動死區是熱害存在的高風險區域，增加導流板后解決了問題，如圖15所示。

機艙內防止大回流設計：整車機艙中大回流現象不存在，如圖16所示。

2.2.3機艙內熱防護設計

機艙內溫度場計算分析 ：邊界設定及合理性分析、材料屬性設定、溫度場計算、空氣溫度及零部件表面溫度計算、零部件耐溫性校核。對其中的懸置、線束進行了優化，見圖17、18。

一維三維耦合分析：一維風量的三維計算矯正、三維熱源的一維計算修正、耦合分析后的機艙內熱環境分析。

隔熱罩設計：隔熱罩材料設計、隔熱罩形狀、尺寸、厚度設計。整車設計了燃油箱隔熱罩，增加了排氣管隔熱罩的屬性定義，見圖10、19。

零部件熱防護設計 ：零部件隔熱設計、零部件熱防護間隙設計。提升了部分零部件距離排氣管的距離，見圖20。

3、整車熱管理試驗驗證

在通過熱管理的初期設計后，優化了散熱器、中冷器的零部件性能，同時針對整車的風量問題進行了前端進風量的匹配設計，通過增加導流板，修改護風圈等形式，增加通過冷卻系統的風量。

進行了一系列試驗測試，主要的測試結果為第一輪的摸底試驗測試，以及優化后的試驗驗證測試。

3.1性能摸底試驗測試

3.1.1性能摸底試驗結果

試驗狀態描述：

在這次試驗中，采用了前期熱管理設計中匹配出的散熱器、中冷器，對其他優化措施（中冷器風扇、導流板等）沒有施加。

試驗工況：功率點、扭矩點；

環境溫度：功率點33℃，扭矩點38℃

試驗結果描述：

結果表明，功率點、扭矩點不能滿足許用環境溫度33℃及38℃的使用要求，兩個工況的測試結果中包含了水溫、中冷溫度等相關屬性測點，我們在這里主要列舉水溫及中冷溫度，見圖21～圖22。

試驗結果表明，在僅更換兩個部件，不安裝中冷風扇及相應導流措施的條件下，環境溫度33℃時，功率點下發動機出水溫度超過 110℃，不能滿足熱平衡需求；同樣的環境溫度38℃時，扭矩點工況下發動機的出水溫度超過110℃，不能滿足熱平衡需求。

試驗結果分析以及試驗條件下模擬結果對比分析：

通過對性能摸底試驗數據的分析，試驗條件下的模擬分析結果，我們得出性能摸底試驗不滿足熱平衡需求的主要由兩個因素產生：a、中冷風量不足導致中冷出風溫度偏高，同時由于風扇的作用，使得大部分溫度較高的中冷后熱空氣進入冷凝器，進而影響散熱器的進風溫度，如圖23所示；b、散熱器前端無導流及密封，同時護風圈存在結構上的問題導致散熱器風量不足，如圖24所示。

3.1.2性能摸底試驗狀態下，模擬分析計算結果對比

我們對比了功率點和扭矩點下散熱器迎風面上的測試數據與分析數據，吻合的非常好。圖25中，左邊為模擬分析數據，右邊表格中的點為測試數據。

在此基礎上，我們通過熱管理分析流程，找到問題后，通過1D、3D分析相結合的方式倒推出性能摸底試驗條件下功率點和扭矩點下的許用環境溫度，同時也倒推出如果需要滿足功率點和扭矩點的設計目標，所需要的散熱器、中冷器進風溫度及進風量。

功率點：

由于散熱器進風溫度升高，發動機出水溫度達到 113℃（對應環境溫度33℃）；

由于散熱器的進風量減少，水溫換熱能力變差，水溫升高2℃；

耦合風量損失和進風溫度后，發動機出水溫度為 114.3 ℃ （對應環境溫度33℃）；

不加風扇和導流措施的條件下，目前狀態下功率點只能滿足30.7℃的許用環境溫度要求。

扭矩點：

由于散熱器進風溫度升高，發動機出水溫度115.5℃ (環境溫度41)；

在考慮風量損失條件下，水溫換熱能力變差，水溫升高2.3℃；

耦合風量損失和進風溫度后，發動機出水溫度為117 ℃（環境溫度41）；

不加風扇和導流措施的條件下，目前狀態下扭矩點只能滿足41-7=34℃的許用環境溫度要求。

然后，我們根據風量的目標要求進行了一系列的優化措施設計。

3.1.3性能摸底試驗前提下，優化方案設計

由于中冷氣和散熱器的進風量都不足，我們做了如下優化工作：

為了增加中冷器進風量，中冷器加風扇，同時增加兩側導流板，如圖26所示

為了增加散熱器進風量中冷器下方加風扇，散熱器兩側增加密封，同時又優化了護風罩，如圖27所示。

通過優化分析后，我們得出如表7中的計算結果。

表7　性能摸底試驗優化方案分析結果數據表

在模擬分析優化方案后，我們得出優化方案可以滿足熱平衡的目標要求。

3.2優化方案試驗驗證測試

3.2.1優化方案試驗結果

在采取了3.1.3中描述的優化方案后，重新進行了一輪熱平衡試驗，結果如圖28、29所示。

試驗結果表明，在采用了優化方案后，本車型的熱平衡能夠滿足設計目標，見表8。

表8　優化方案的熱平衡試驗結果

3.2.2優化方案試驗結果與模擬結果對比

我們先通過模擬分析得出了優化前后的結果對比，如圖30所示，同時得到了優化后方案所能滿足的許用環境溫度分別為功率點42.7℃和扭矩點41.7℃。

同時通過分析我們還得出了中冷后的風溫在優化前后的數據，見表 9，將這些數據與試驗數據相比較，我們可以得出優化方案的模擬結果與試驗結果的吻合程度也很理想。

同時，采用優化方案后，功率點產生了較大的余量，這是因為發動機產生的熱量被冷風帶走的部分，而在功率點條件下，由于車速較高，采用了很多密封盒導流措施后，散熱器進風量增加，機體表面由于風側帶走的熱量增加，水側的熱負荷減少，從而使得功率點下產生的余量較大，相對于扭矩點，由于車速較低，這個余量相對較少，試驗結果與分析結果比較吻合，滿足設計要求。

表9　優化模型分析結果與試驗結果對比

4、結論

通過熱管理開發設計，設計出了滿足發動機冷卻性能要求和整車散熱要求的冷卻系統零部件性能要求，確保了整車冷卻系統滿足在日常和惡劣條件下的使用可靠性，同時確保了整車各系統及零部件不會出現熱失效或性能明顯下降

在整車的研發過程中：

我們通過對冷卻系統的性能定義，判定原始的散熱器性能不能滿足使用要求，并設計了滿足發動機冷卻需求的散熱器性能，同時通過引流等手段增加了散熱器的工作效果；同樣的工作在中冷器上也得以進行，將原始的厚中冷器改為了目前的薄中冷器，同時通過導流優化了其冷卻效率；

通過增加中冷器風扇，增加中冷器導流以及散熱器密封的手段增加中冷器的進風量和散熱器的進風量，以降低平衡水溫；

另外通過機艙內的流動傳熱分析，得出了機艙內存在熱害風險的零部件位置和特性，對其進行了優化，最終使得零部件滿足熱防護的性能要求。

以上都是整車熱管理開發設計中的重要組成部分，有了開發設計工作可以避免我們多次的重復試驗，和在問題出現時無從下手的情況。大幅減少整車開發中因熱平衡熱害問題設變產生的巨額費用周期等。

綜上所述，熱管理開發在整車開發舉足輕重，通過熱管理開發設計可以保證整車低成本、高效率、高性能地同步開發，提升產品競爭力。

[1]王望予.汽車設計.機械工業出版社,2000.

[5]余志生.汽車理論.機械工業出版社.2000.

[2]林學東.汽車動力匹配技術.中國水利水電出版社.2010.

[3]楊萬福.發動機原理與汽車性能.高等教育出版社.2004.

[4]陳家瑞.汽車構造.人民交通出版社.2003.

Simulation analysis of thermal management for a N1 type vehicle

Hu Jie
(Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd.,Anhui Hefei 230601)

The simulation design of vehicle thermal management is illustrated at the beginning.And then to solve the problem of heat balance of a class of N1,the paper introduces the matching of engine water pump performance ,cooling water matching,heat balance of vehicle heat exchange parts,and the identification of heat damage parts and the corresponding solutions.The simulation idea,thinking,process and experimental data support for the development of thermal management are combined,and a more systematic and complete simulation analysis method is described.In performance thoroughly and in the optimization scheme of the rotary hub heat balance verification process,an effective solution to the vehicle thermal balance and the thermal damage problem,also simulation analysis and test results of the degree of agreement,finally summarizes the contribution to the development of vehicle thermal management system simulation analysis.

heat management; simulation process; test verification

U467.3

A

1671-7988（2016）08-61-08

胡杰（1988-）男，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，動力匹配設計主管，主要研究方向為整車冷卻系統設計。