基于STAR-CCM+的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析與研究

謝暴，許述財(cái)，陶其銘

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥230011；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京100084；3.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

基于STAR-CCM+的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析與研究

謝暴1，許述財(cái)2，陶其銘3

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥230011；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京100084；3.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

在車輛開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)某款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行熱管理仿真分析，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，并對(duì)機(jī)艙內(nèi)存在的過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性，為發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了技術(shù)支持.

CFD；發(fā)動(dòng)機(jī)艙；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

汽車工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)著人們對(duì)汽車安全性能、動(dòng)力性能及舒適性能的要求不斷提高［1］，造成發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流密度明顯增大，而現(xiàn)代汽車采用的低車身、小型化的設(shè)計(jì)趨向使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱情況更加嚴(yán)峻［2］.發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的這些熱量若無(wú)法及時(shí)、有效的耗散，會(huì)引起艙內(nèi)局部過(guò)熱，使溫度敏感部件（如艙內(nèi)線束、橡膠件、電子設(shè)備等）無(wú)法正常工作或損壞，同時(shí)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了新的要求.因此采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析手段和方法，對(duì)汽車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義［3］.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的散熱情況進(jìn)行模擬分析，涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵部件保護(hù)，以確保在不同的狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的各部件都能夠正常運(yùn)行，并通過(guò)系統(tǒng)性地優(yōu)化提高各部件的性能、降低試驗(yàn)開發(fā)成本，是整車開發(fā)中十分重要的環(huán)節(jié).

本文運(yùn)用CFD方法，對(duì)某款車型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析，得到前艙流場(chǎng)和重要熱敏感部件壁面溫度場(chǎng)分布，并通過(guò)優(yōu)化使其滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合熱環(huán)境艙試驗(yàn)驗(yàn)證，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了技術(shù)支持.

1　模型建立與數(shù)值計(jì)算

1.1幾何模型

發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理三維仿真分析模型如圖1所示，主要包括：機(jī)艙內(nèi)所有部件、白車身及外部覆蓋件、排氣系統(tǒng)等.

圖1　某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析模型

對(duì)初始CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行包面，最終生成體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為Trim網(wǎng)格，總數(shù)為1122萬(wàn)，其結(jié)果如圖2示.

圖2　Y=0截面網(wǎng)格模型示意圖

1.2數(shù)學(xué)模型

1.2.1基本控制方程

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)一般視為定常、三維不可壓縮流場(chǎng)，因此可假設(shè)其流動(dòng)過(guò)程為穩(wěn)態(tài)湍流［4］.將流體視為由連續(xù)分布的無(wú)數(shù)流體微團(tuán)構(gòu)成，其滿足連續(xù)性方程、N-S方程及能量守恒方程［5］：

式中ρ為流體密度，V為速度向量，?為哈密頓算子，

式中P為作用在流體微團(tuán)表面的壓力；fx，fy，fz為作用x，y，z 3個(gè)方向上的體積力；τxx，τyy，τzz為流體微團(tuán)之間相互作用的正應(yīng)力；τyx，τzx，τxy，τzy，τxz，τyz為流體微團(tuán)之間相互作用的剪切應(yīng)力.

將以上方程在流體計(jì)算域所劃分的網(wǎng)格上進(jìn)行數(shù)值離散，得到一組差分方程組，根據(jù)已知的邊界條件，求解該方程組即可得到各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上物理量，從而得到整個(gè)流場(chǎng)［6］.若要計(jì)算溫度場(chǎng)，則增加能量方程即可.

1.2.2湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型是目前汽車?yán)@流計(jì)算中應(yīng)用最普遍的湍流模型［7］，即分別引入湍流動(dòng)能κ及耗散率ε的方程.

κ方程為：

由于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型只適合模擬完全湍流的流動(dòng)過(guò)程，而汽車?yán)@流計(jì)算為含壁面約束的湍流流動(dòng)，所以需采用壁面函數(shù)法對(duì)壁面附近的區(qū)域進(jìn)行處理［9］.采用穩(wěn)態(tài)過(guò)程計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中同時(shí)考慮對(duì)流和輻射兩種傳熱方式，輻射計(jì)算采用S2S輻射傳熱模型.

1.3邊界定義

計(jì)算域進(jìn)口根據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)定速度入口為80 km/h，溫度為40℃.

采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬冷凝器和散熱器的阻力特性，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別擬合冷凝器和散熱器芯體的慣性阻尼系數(shù)及兩者的黏性阻尼系數(shù)，見表1.

表1　冷卻模塊芯體阻尼系數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部高溫?zé)嵩磳?duì)周邊零部件產(chǎn)生熱輻射影響，因此需將高溫部件作為邊界條件，其試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2.

風(fēng)扇采用MRF隱式算法.艙內(nèi)主要熱源表面由試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果給定溫度邊界，其他部件表面給定絕熱邊界及材料輻射系數(shù)以求解其表面溫度分布.

表2　熱源邊界數(shù)據(jù)

2　發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析及優(yōu)化

2.1流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析

典型截面速度分布見圖3，從圖中可以看出，冷卻氣流從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后，一部分氣流從冷卻模塊四周泄露，直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙，沒(méi)有起到有效的冷卻作用，需要增加導(dǎo)流板.

圖3　截面速度分布示意圖

圖4為典型截面溫度場(chǎng)分布，從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管及催化器處存在高溫區(qū)域，可能會(huì)使該區(qū)域附近的電器零部件或溫度敏感部件不能有效工作.

圖4　截面溫度分布示意圖

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)艙優(yōu)化

經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)散熱器等周圍存在泄漏現(xiàn)象，針對(duì)散熱器處冷卻氣流的泄漏情況，考慮在散熱器周邊增加擋風(fēng)罩，如圖5.

圖5　增加擋風(fēng)罩方案示意圖

將優(yōu)化方案和原分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖6），可以看出，增加擋風(fēng)罩后，有效解決了漏風(fēng)問(wèn)題，與原始狀態(tài)相比，散熱器和冷凝器風(fēng)量明顯提高，表3所示為優(yōu)化前后通過(guò)冷凝器、散熱器及中冷器風(fēng)量變化對(duì)比.

圖6　優(yōu)化前后Y=0截面速度對(duì)比圖

從表3可以看出，優(yōu)化前后，冷凝器、散熱器及中冷器風(fēng)量分別提高了4.48%、 37.31%和25.55%.同時(shí)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)分析對(duì)比，優(yōu)化后機(jī)艙高溫區(qū)溫度整體降低，優(yōu)化前后考查項(xiàng)及溫度敏感部件溫度對(duì)比如圖7所示.

從圖7可以看出，除風(fēng)扇后及轉(zhuǎn)向軸殼體外，其余溫度敏感部件的溫度均有不同程度的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度由原來(lái)的111.6℃下降為103.9℃，下降明顯，說(shuō)明優(yōu)化方案合理可行.

表3　優(yōu)化前后通過(guò)冷卻部件風(fēng)量變化

圖7　優(yōu)化前后考查項(xiàng)及艙內(nèi)主要熱敏感部件溫度對(duì)比圖

3　仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案在實(shí)車中的效果，散熱元件增加擋風(fēng)裝置后在環(huán)境倉(cāng)對(duì)該車進(jìn)行整車熱平衡及熱害試驗(yàn)，總計(jì)布置溫度傳感器147個(gè)，電流電壓檢測(cè)器8個(gè)，ECU檢測(cè)信號(hào)62個(gè)，如圖8所示.

圖8　傳感器布置示意圖

布置完測(cè)點(diǎn)后，風(fēng)洞升溫至40℃，風(fēng)速達(dá)到80 km/h，并施加8%的坡度后開始測(cè)試.所測(cè)各點(diǎn)的溫度基本穩(wěn)定后，以20s的時(shí)間間隔記錄各點(diǎn)的溫度，多次測(cè)試取其平均值，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖9所示.

圖9　仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)圖9中的對(duì)比可以看出，目前的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，但差值均在10%以內(nèi)，可以滿足工程的需要.

4　結(jié)論

在某轎車開發(fā)過(guò)程中，使用CFD技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析，針對(duì)冷卻模塊處的泄漏情況及發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱風(fēng)險(xiǎn)提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行了分析驗(yàn)證.最終通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了此方法合理可行，能滿足工程需要.在整車開發(fā)階段，可對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能開發(fā)提供有力的技術(shù)支持.

［1］袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程，2009，31（9）：843-844.

［2］張寶亮.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理技術(shù)的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

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Thermal Managementsimulation andstudy on the Vehicle Engine Room of asedan Based onsTAR-CCM+

XIE Bao1，XUshucai2，TAO Qiming3
（1.Department of Mechanical Engineering，Anhui Vocational and Technical College，Hefei 230011；2.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084；3.Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd，Hefei 230601，China）

Numerical research was conducted on the thermal field of a certain model vehicle's engine compartment usingsTAR-CCM+software.Optimization was performed on potential overheated areas.Finally，the test results were compared with thesimulation results，which haveshown the promise of that approach and provided techniquesupport to the vehicle thermal field development.

CFD；engine room；temperature field；numericalsimulation

TH123

A

1008-2794（2015）04-0038-04

2015-05-06

安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于STAR-CCM+的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”（2013SQRL123ZD）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（168）

謝暴，副教授，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，E-mail：xiebaomail@126.com.