商用車機艙熱保護優(yōu)化設計研究

巫紹寧 王 偉 彭 婧 呂俊成 楊 宇

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1) 柳州 545007) (武漢理工大學機電工程學院2) 武漢 430070)

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商用車機艙熱保護優(yōu)化設計研究

巫紹寧1)王 偉1)彭 婧1)呂俊成1)楊 宇2)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1)柳州 545007) (武漢理工大學機電工程學院2)武漢 430070)

為滿足商用車在研發(fā)設計階段前艙和底盤的熱保護需求，通過計算流體力學方法對機艙內冷卻氣流的流動情況、熱害元件熱輻射情況進行了數值模擬,并在仿真的基礎上進行了機艙與底盤布置的優(yōu)化.實驗驗證表明，懸置最高溫度降至71 ℃，仿真分析為設計需要提供了機艙內部、底盤布置優(yōu)化的理論及數據支持.

商用車;計算流體力學;中置后驅;整車熱保護

0 引 言

整車熱管理最初是作為解決機艙冷卻散熱問題的工具被各大整車制造商所關注的.奔馳公司Bernhard等[1]借助商用軟件，在不考慮熱輻射的情況下完成了整車系統的全細節(jié)散熱仿真，為整車熱管理仿真普及鋪平道路.隨著國內用戶對微客動力性、經濟性要求的提高，中置后驅增壓發(fā)動機對半封閉式機艙和座椅倉輻射熱的控制成為不可忽視的熱管理問題.文中以某款搭載增壓發(fā)動機的中置后驅微客車型機艙熱害元件的布置設計為研究對象，通過計算流體力學耦合工程熱力學仿真分析方法，對機艙熱保護進行優(yōu)化設計研究.在對機艙和底盤熱環(huán)境的模擬基礎上，通過數值計算和試驗驗證等途徑，解決掣肘中置增壓發(fā)動機機艙部件高溫失效的難題，為機艙和底盤布置優(yōu)化提供數據支持和理論依據.

1 理論分析

研究對象為一款中置后驅商用車，周圍流體介質為空氣，單一相，因此采用單相流模型.流動主要有兩種流動方式：層流和湍流.空氣在汽車前艙中的流動以湍流為主，故采用湍流模型描述前艙和底盤的空氣流動狀況[2].寫成笛卡爾坐標系下張量形式的控制方程如下.

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：ρ為流體密度；ui為速度分量；μ為粘度；p為流體微元體上的壓力.2個方程稱為雷諾平均的Navier-Stokes方程.標準k-ε模型的湍動能k的輸運方程：

(3)

耗散率ε的輸運方程：

(4)

式中：Gk為由平均的速度梯度引起湍動能產生；Gb為浮力影響的湍流動能產生；YM為可壓縮湍流脈動的膨脹對總的耗散率的影響；αk和αε分別為湍動能k和耗散率ε有效的湍流普朗特數的倒數形式.

對以上控制方程采用有限體積法進行求解計算.壓力項和速度項之間的耦合計算采用SIMPLE算法.在靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動，壁面也阻止了法向的速度脈動.而離開壁面稍微遠點的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動能產生迅速變大，因而湍流增強[3]，因此近壁面的處理明顯影響數值模擬的結果.

零部件間熱傳導方程：

(5)

熱輻射方程：

(6)

耦合計算理論是以固壁面溫度為中間求解變量，迭代熱力學方程和流體力學方程求解的過程.用以仿真前艙和底盤強制通風對流換熱、相鄰固體零件間熱傳導和高溫熱源附近熱輻射共同作用下的整車機艙、底盤氣流流動情況和熱敏感零部件的工作溫度.

2 仿真分析

2.1 數學模型

為了完整地表征發(fā)動機艙內部流場和溫度場，捕捉復雜的幾何邊界，文中建立了包含120多個部件汽車的詳細幾何模型.應用Hypermesh完成幾何清理和計算區(qū)域選取后，對幾何模型進行面網格劃分；然后導入T-Grid軟件中生成非結構化的四面體網格，得到全細節(jié)網格模型.

考慮受熱部件內部的熱傳導和溫升，懸置、空濾、輪系、排氣系統均使用實體網格，熱輻射計算軟件Radtherm中設定溫度和輻射源邊界包括5種模型：大氣輻射(太陽輻射)、地面反射輻射[4]、冷凝器和散熱器的強制對流換熱、排氣系統的熱輻射和發(fā)動機熱輻射，見圖1.

圖1 熱輻射模型能量源示意圖

考慮該車的路試問題反饋和相關城市高溫惡劣情況，模擬海南五指山正午太陽直射且車輛滿負荷在山路爬坡行駛工況.車速50 km/h，滿載爬坡.獲取當地日最高氣溫數據和地面溫度數據，見圖2.

圖2 海南五指山市8月份逐日最高氣溫采集圖

文中分析的爬坡工況散熱器散熱負荷較大，故需對散熱器及前端散熱模塊進行詳細模擬.冷凝器和散熱器的溫度分布和強制對流換熱量是由相應工況下的發(fā)動機轉速、發(fā)動機冷卻系統進出口水溫和冷卻系統中通過散熱器元件的冷卻空氣流量求出的.

(7)

式中：cp為比定壓熱容，cp=3.62 kJ/kg；ρ為空氣密度，ρ=1 049 kg/m3，得到冷卻液從發(fā)動機帶走的熱量與散熱器散走熱量的等式關系.根據實測實車各工況下發(fā)動機冷卻系統冷卻液流量，結合發(fā)動機熱平衡試驗數據和散熱器、冷凝器、中冷器單體試驗數據，實現前端散熱系統的搭建，計算出散熱器在滿載爬坡工況下的風速分布情況[5]，見圖3.

圖3 散熱器風量分布和內部水溫分布

采用Fluent軟件提供的三維管路流場進行排氣系統仿真分析，使用發(fā)動機耐久試驗提供的排氣三催入口的質量流量隨發(fā)動機轉速變化的曲線作為入口邊界(見圖4)，加載到搭建好的三維管路流場模型中.首先計算出排氣歧管、三元催化轉化器、主消聲器、副消聲器和管路內部的排氣流場(HTC)和溫度場(temperature)；將HTC和Temperature加載到Radtherm熱輻射計算軟件的排氣歧管模型內表面作為初始的溫度邊界[6]，完成排氣系統輻射熱源的數學模型搭建，見圖5.

圖4 排氣流量數據

圖5 排氣系統溫度邊界

由于已有完整的實體模型，適宜采用Fluent中的MRF旋轉坐標軸模型仿真電子扇，精確的數據有助于減小數學模型的系統誤差.

2.2 原始模型仿真結果及分析

根據路試結果模擬最惡劣工況為低速爬長坡全負荷行駛.計算介質為空氣，環(huán)境大氣壓101.325 kPa，環(huán)溫為試驗時當地溫度307.15 K，太陽直射地表溫度333.15 K，車速為50 km/h爬坡(模擬試驗時爬坡工況)，排氣管排氣流量411.4 kg/h，三元催化轉化器入口溫度1 057 K，冷凝器與散熱器的散熱功率分別為7.854 kW和28.15 kW，熱輻射分析的材料根據試驗數據定義.

通過Fluent解算機艙和底盤三維空間流場的速度、壓力分量和熱對流；Radtherm解算壁面和熱害元件的熱傳導、熱輻射，將兩款軟件的求解器設定為每10次迭代進行一次近壁面溫度、流速數據交換，實現完成耦合計算.在仿真設計的惡劣工況下，各熱敏感部件表面溫度仿真結果，見表1.

表1 熱敏感部件表面溫度

通過對數值流場仿真結果的后處理，得到發(fā)動機艙的速度流線，表征進入前艙和底盤的流速和流向(其中暖色為高速，反之為低速)，見圖6.發(fā)動機艙中排氣側(左)懸置與高溫熱源渦輪增壓器距離較近，在中低車速段對流散熱效果不明顯，懸置頂部及橡膠件存在過熱風險；座椅艙密封橡膠處于半密封狀態(tài)的座椅艙頂部流動死區(qū)[7]，同時受到排氣系統高溫炙烤和渦輪增壓器的熱輻射的共同作用，致使溫度過高；發(fā)動機OCV閥線束與座椅艙密封橡膠情況類似處于半密封狀態(tài)的座椅艙中，導致線束附近溫度越積越高，對使用整車安全性造成損害.

圖6 動力總成附近溫度云圖

3 結構優(yōu)化

針對仿真分析中原始設計方案暴露出的問題，通過增大熱敏感元件與排氣系統之間距離；在熱源與熱敏感元件間插入隔熱罩等方法解決.加裝座椅艙散熱小風扇同時在下護板上設計導風通道實現冷卻風量的增加；通過增加渦輪增壓器與排氣側懸置之間的隔熱罩能夠有效降低懸置表面溫度；故選擇安裝隔熱罩方案.綜合2種可行的優(yōu)化思路與實際工藝的可實現性得出優(yōu)化方案：在座椅艙頂部增加散熱小風扇；按照原始模型熱輻射結果，在渦輪增壓器與排氣側懸置之間、排氣系統與座椅艙密封圈之間靠近排氣系統側加裝隔熱罩.在原始數模上完成修改后以同樣的邊界條件進行仿真分析計算，優(yōu)化模型與原始模型的對比見表2.

表2 熱敏感部件表面溫度對比 ℃

圖7為優(yōu)化前后機艙內速度場和溫度場云圖對比結果.

圖7 優(yōu)化前后表面速度場和溫度場云圖

通過上面的對比發(fā)現，下蓋板阻礙冷卻空氣吹到發(fā)動機艙的高溫部件上，設計導風通道有助于增加熱害部件表面的冷卻空氣流速；在高溫熱源與懸置橡膠之間添加隔熱性能較好的含石棉纖維夾層類隔熱罩將有效地降低排氣側懸置膠受熱老化風險；在座椅倉頂增加小風扇并使其對著渦輪增壓器送風，使用增壓器表面風速明顯提高，汽車中低速行駛時機艙內流動死區(qū)的情況得以緩解，并降低駕駛員座椅框及附近地板溫度，降低“烤腳”風險，提升駕乘主觀感受.

4 試驗驗證

4.1 試驗結果

完成快速成型樣件、3D打印樣件后，首先在模擬爬坡工況的環(huán)境艙中進行多次整車熱平衡試驗[8]，排除特異結果后取平均值.為了將仿真分析結果與試驗結果進行對比分析，驗證熱保護仿真方法的可行性和優(yōu)化方案的實用性，在增壓器、OCV閥線束接頭、座椅艙密封橡膠、小風扇出風口和排氣側懸置上部、前部、后部等主要部件上設置了多個溫度測點，試驗測點布置和溫度結果采集見圖8.

圖8 測點布置情況及環(huán)境艙試驗結果

4.2 誤差分析

試驗樣車在模擬高溫惡劣工況的環(huán)境艙中滿載爬坡運行，直至測點溫度波動穩(wěn)定后獲取各測點的溫度值，見圖8.綜合分析發(fā)現，進氣溫度提高導致了排氣溫度相應提高，增壓器溫度上升到950 ℃，隔熱罩表面溫度高達148 ℃，這使得處于增壓器正上方的OCV閥線束溫度達到76 ℃.而仿真分析中未考慮空濾受到增壓器近距離熱輻射炙烤從而影響內部空氣升溫，而進氣溫度變化又影響排氣側的增壓器溫度再次提升的復雜情況.考慮到進氣溫度升高會引發(fā)的機艙整體熱害加劇問題以及高排氣溫帶來的NOx排放問題，則需要進一步優(yōu)化：(1)將下蓋板導風管后部的彎管結構改為直管，將前部低溫的新鮮空氣送到空濾入口；(2)在增壓器與空濾之間添加隔熱罩，阻隔增壓器與高溫排氣系統產生的熱輻射.

試驗驗證二次優(yōu)化后，OCV閥線束接頭處溫度有了明顯下降，如圖8中數據“二次優(yōu)化后OCV閥線束接頭”所示.對比最終結果，OCV閥線束接頭處的溫度有所下降，各測點溫度結果的最大誤差在6.9%以內，見圖9，仿真分析結果的趨勢是正確的，仿真分析方法對設計開發(fā)有著一定的指導作用，驗證了分析方法的可行性.

圖9 各測點溫度的仿真與試驗值對比圖

5 結 論

1) 優(yōu)化后的機艙和底盤熱敏感元件均得到了有效的保護.在不改變格柵造型、前艙布置設計的前提下，使排氣側懸置的上表面溫度下降了43.1%，座椅倉密封橡膠的溫度下降了23.3%，OCV閥線束接頭表面溫度下降了41%.

2) 試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性，對比結果表明仿真和試驗中測點表面溫度的最大誤差在6.7%以內，仿真結果的趨勢正確，仿真分析方法對設計開發(fā)有著一定的指導作用.

3) 運用熱流耦合計算的方法實現前艙、底盤子系統的熱保護分析，可以在設計開發(fā)中期對乘用車前艙、底盤的流動和熱保護性能進行直觀的描述和有效地評估，提高散熱問題的解決效率，減少試驗次數，對于提升駕乘主觀感受、保護車載電氣系統、延長使用壽命、保障行車安全性、消除機艙或底盤過熱導致自燃的安全隱患等方面都具有積極的指導意義.

[1]BERNHARD U, FRIEDRICH B. Development of engine cooling systems by coupling cfd simulation and heat exchanger analysis programs[J].SAE Paper,2001(5):14-17.

[2]將光福.汽車發(fā)動機艙散熱特性研究[J].汽車科技,2005(5):18-23.

[3]傅立敏.汽車空氣動力學[J].北京：機械工業(yè)出版社,1998.

[4]占文鳳.基于真實結構的地表熱輻射方向性計算機模擬研究進展[J].地球科學進展,2009(24)：1309-1317.

[5]梁小波，袁俠義，谷正氣，等.運用一維/三維聯合仿真的汽車熱管理分析[J].汽車工程,2010(32)：793-798.

[6]肖國權,楊志剛，張萬平,等.汽車熱管理系統共軛換熱仿真[J].系統仿真學報,2010(22)：1733-1736.

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

[8]中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局.汽車熱平衡能力道路試驗方法:GB/T12542-2009[S].北京：中國標準出版社,2009.

Thermal Protection Optimization of a Commercial Vehicle Engine Compartment

WU Shaoning1)WANG Wei1)PENG Jing1)LYU Juncheng1)YANG Yu2)

(ShanghaiAutomotive-GeneralMotor-WulingAutomobileCo.,Ltd,Liuzhou545007,China)1)(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

In order to evaluate the under-hood and under-body thermal protect performance of the commercial vehicle, the vehicle thermal environment optimization is carried out with CFD Thermal Management methods, which provide convincible results by test. The highest temperature of mounts drops d to 71 degrees Celsius. Therefore, this simulation technique is a well suited tool to providing data support.

commercial vehicle; CFD; fmr layout; vehicle thermal protection

2016-07-24

U462.3 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.032

巫紹寧(1984- )：男，碩士，主要研究領域為整車動力匹配與節(jié)能降耗