啟動發(fā)電一體化車輛發(fā)動機艙散熱的數(shù)值模擬

陳冠宇，資新運，許 翔，曾繁綺，邊浩然

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

啟動發(fā)電一體化車輛發(fā)動機艙散熱的數(shù)值模擬

陳冠宇1，資新運2，許 翔2，曾繁綺1，邊浩然1

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

為解決啟動發(fā)電一體化車輛在駐車發(fā)電時發(fā)動機艙內(nèi)溫度過高的問題，利用計算流體動力學(CFD)方法和CFD軟件Fluent，對發(fā)動機艙空氣流場和溫度場進行數(shù)值模擬，得出發(fā)動機艙內(nèi)部的流場和溫度分布。計算發(fā)現(xiàn)：該發(fā)動機艙的部分區(qū)域存在由于空氣流動速度低導致熱量累積的問題。針對出現(xiàn)的問題提出改進方案，并通過數(shù)值模擬對改進效果進行驗證，表明改進后發(fā)動機艙的散熱效果得到明顯改善。

啟動發(fā)電一體化；計算流體力學；發(fā)動機艙；散熱

目前，我軍通用移動電站逐漸被具有自發(fā)電系統(tǒng)的車載式移動電站所取代，這種移動電站體積小、重量輕，簡化了發(fā)電裝備的結構，降低了成本[1]。但是由于駐車發(fā)電時發(fā)動機艙的熱環(huán)境比較差，經(jīng)常會導致發(fā)動機無法正常工作，所以發(fā)動機艙的散熱問題顯得尤為重要。

近年由于計算機技術的不斷發(fā)展，汽車計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)得到廣泛的應用[2]。國外在這方面的研究起步較早，Anders Jonson[3]在新車型開發(fā)時利用Fluent對發(fā)動機艙內(nèi)外流場進行耦合計算，從而解決了熱管理問題；福特公司[4]通過增加空氣擋板來對旗下新車型的發(fā)動機艙進行結構上的改進，從而改善散熱效果；李鋒[5]將模擬計算得到的數(shù)據(jù)與實際試驗結果進行對照，發(fā)現(xiàn)仿真結果與實驗結果擬合較好，證明了數(shù)值模擬的準確性；袁志群等[6]在包括風洞試驗在內(nèi)的多個方面，對汽車的熱管理問題都進行了比較深入的探索與研究。

本文研究的是一種新型的電源車，該電源車通過在車輛離合器與變速器之間增加啟動發(fā)電一體化電機(integrated starter/generator，ISG)等配套改進措施，實現(xiàn)了車輛啟動發(fā)電一體化，其駐車發(fā)電時，發(fā)動機帶動ISG向外發(fā)出一定功率的電力供給其他設備。由于是駐車發(fā)電，沒有運動時產(chǎn)生的空氣對流，而且此時發(fā)動機的負荷要比車輛正常怠速工況下高很多，因此，對發(fā)動機的散熱提出了更高的要求。對于這種特殊工況下的發(fā)動機艙的散熱問題，國內(nèi)外還少有人研究，本文利用ANSYS公司開發(fā)的CFD仿真軟件Fluent，對發(fā)動機艙內(nèi)的溫度場和速度場進行分析，找出發(fā)動機艙內(nèi)的局部高溫區(qū)域，分析其高溫產(chǎn)生的主要原因，并針對以上問題提出了優(yōu)化方案，通過仿真計算，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

1 發(fā)動機艙流動與傳熱數(shù)值模型

1.1建立幾何模型

在駐車發(fā)電的工況下，由于空氣絕大部分都是從汽車前方的進氣格柵進入到發(fā)動機艙內(nèi)，所以設置這部分為計算域的入口，與此相對應的計算域的出口設置在流出大部分氣體的機艙后方。考慮到劃分網(wǎng)格的難度、計算機自身的計算能力以及工作成本，對機艙模型進行適當?shù)暮喕Ａ襞搩?nèi)的主要部件和一些必要的特征細節(jié)，在滿足所研究問題要求的計算精度的同時，也能夠符合工程上的經(jīng)濟要求。發(fā)動機艙的內(nèi)部簡化幾何模型如圖1所示。

1.2基本控制方程

由于發(fā)動機艙內(nèi)部流場的空氣運動速度比較小，密度的變化也較小，故可將其近似視為常數(shù)，因此可把艙內(nèi)的空氣流場視為三維不可壓縮流場。對于流體的流動，應該遵守以下基本的物理方程。

(1)質(zhì)量守恒方程。

(1)

式中：ρ為密度；u、v、w為速度矢量分別在x、y、z方向上的分量。

(2)動量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體微元體上的壓力；τxy、τyy、τzy等為由分子黏性作用在微元體表面上產(chǎn)生的黏性應力τ的分量；Fx、Fy、Fz為微元體上的體力。

(3)能量守恒方程。

(5)

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源及由黏性作用機械能轉換為熱能的部分，它表示黏性耗散項。

1.3計算域的選擇與網(wǎng)格劃分

在建立好電源車的整車網(wǎng)格后，需要構建合理的計算域。構建計算域的原則是發(fā)動機艙內(nèi)的流場不會被外部的流場影響到，同時還要考慮到汽車尾部的湍流影響以及計算效率，據(jù)此，車前方取3倍的車輛長度，后方取5倍的車長，上方取5倍的車輛高度，兩側取5倍的車輛寬度。

在發(fā)動機艙內(nèi)，由于部件數(shù)目眾多且外形較為復雜，不能采用結構網(wǎng)格進行劃分，所以，在發(fā)動機艙內(nèi)部主要采用了非結構網(wǎng)格。同樣，在保證計算精度的前提下，為了減少計算量，對于機艙外部的流場也采用了非結構網(wǎng)格進行劃分。

1.4湍流模型

在湍流模型的選用方面，本文采用的是標準模型，標準模型是目前應用最廣的湍流模型，該模型在原有的湍流控制方程的基礎上，又引進兩個關于湍動能和耗散率的方程：

Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中：Gb為由浮力引起的湍動能產(chǎn)生項;Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;G1ε、G2ε、G3ε為經(jīng)驗常數(shù);σk、σε分別是k和ε所代表的普朗特數(shù);Sk和Sε為用戶所定義的源項。

1.5邊界條件

發(fā)動機艙的邊界條件分為外部邊界條件和內(nèi)部邊界條件。外部邊界條件包括出口和進口邊界條件。進口邊界采用速度入口，由于本文所研究的流場是不可壓縮的流場，所以采用了壓力出口作為流場的出口邊界條件。在發(fā)動機艙的內(nèi)部，其包括的邊界條件有多孔介質(zhì)模型、換熱模型和風扇模型。

由于發(fā)動機艙前端的散熱器里面的結構非常復雜，若按照其實際的結構尺寸來對其進行網(wǎng)格劃分，其計算量過于龐大，導致計算機無法承受，因此把這種換熱器視為多孔介質(zhì)來處理。散熱器的設置可以根據(jù)試驗得到的阻力曲線來獲得，并將散熱器當作熱源處理，賦予相應的體積熱源。

根據(jù)廠家提供的散熱器的壓強損失與氣流速度相關的試驗數(shù)據(jù)(見表1)，采用插值法可以求得該散熱器上的相關系數(shù)。

表1 散熱器壓強損失與迎面風速的關系

由表1可以擬合得到的函數(shù)關系為

(8)

式中Δm為散熱器的厚度。

由式(8)可知散熱器的慣性阻尼系數(shù)是117.91，黏性阻尼系數(shù)是500.63，將作為多孔阻尼介質(zhì)的初始輸入?yún)?shù)。

2 計算結果及分析

截取Z平面和Y平面上通過關鍵部件的關鍵截面(如圖2所示)，生成該截面的溫度分布圖和速度矢量圖，可以在圖中找到機艙的高溫區(qū)域，并通過對溫度云圖和速度矢量圖的進一步分析，找出產(chǎn)生高溫的原因。

圖2 截面位置

圖3、圖4所示的Y=-0.13截面穿過了進氣歧管、發(fā)動機、排氣歧管、風扇和散熱器。在駐車發(fā)電時，機艙內(nèi)的空氣在散熱風扇的后面速度達到最大，在排氣歧管周圍區(qū)域溫度達到最高。從圖3的速度場分布中可以看到，空氣在經(jīng)過散熱器時由于受到阻礙，降低了風速，但隨后又因為散熱風扇的抽吸作用使其速度迅速攀升。氣流在流經(jīng)發(fā)動機時被分為兩個部分，一部分向上經(jīng)過發(fā)動機蓋，另外一部分向下流經(jīng)發(fā)動機的油底殼。在圖中可以看到在發(fā)動機和散熱風扇之間存在渦流，氣流到達發(fā)動機后沿著機體回流到散熱器之前，形成熱回流。同樣存在渦流的區(qū)域還有排氣管和離合器下方車架的周圍，氣流經(jīng)過時圍繞其形成渦流，再次流經(jīng)發(fā)動機，把排氣管的熱量帶給了發(fā)動機，形成熱回流，不利于散熱效果。從圖4可知，溫度較高的區(qū)域主要存在于散熱器的后方區(qū)域和排氣歧管的附近，這是由于排氣歧管的散熱量很大導致周圍空氣溫度急劇升高。

圖3 Y=-0.13截面速度矢量圖

圖4 Y=-0.13截面溫度云圖

圖5 Z=0截面速度矢量圖

圖6 Z=0截面溫度云圖

圖5、圖6所示為Z=0截面仿真計算得到的速度矢量圖和溫度云圖。Z截面主要經(jīng)過風扇、散熱器、發(fā)動機和排氣管。截面的高溫氣體主要分布在排氣管周圍，高溫氣體相對比較集中。艙內(nèi)的左右溫度分布不同，右邊的溫度比左邊的溫度高。對照矢量流線圖和溫度云圖可以看出，空氣流動速度低是截面局部高溫的主要原因。

3 結構優(yōu)化與仿真驗證

針對以上對仿真結果的分析找到了發(fā)動機艙流場的高溫區(qū)，并分析出高溫區(qū)產(chǎn)生的原因主要是由于散熱器散熱的效果直接取決于風扇的風量，由于駐車發(fā)電無法產(chǎn)生對流，只能依靠風扇的旋轉產(chǎn)生氣流，風速較低，風量較小，無法滿足機艙的散熱要求。據(jù)此提出改進方案：在散熱器的前面加裝一臺吹風扇，配合散熱器后面的吸風扇一起對散熱器進行散熱。改裝之后的幾何模型如圖7所示。

圖7 改進后的發(fā)動機艙結構

對改裝之后的發(fā)動機艙進行仿真計算，在相同的位置截面觀察改進效果。改進后的速度矢量圖和溫度云圖如圖8、圖9所示。對比圖3和圖8可以看出，在散熱器前面加裝風扇后，經(jīng)過散熱器流向發(fā)動機的氣流速度與流量都得到明顯提高，而且改進前散熱器前產(chǎn)生的回流也因為加裝的風扇而改變了流動方向，改善了回流現(xiàn)象帶來的散熱問題。對比圖4和圖9可以看到，改進后原來存在的高溫區(qū)域的溫度有了明顯的改善，尤其是改進前發(fā)動機排氣歧管周圍區(qū)域，這是機艙內(nèi)溫度最高的區(qū)域，經(jīng)過改進后，該區(qū)域溫度明顯降低，與此同時由于流速的提高以及回流現(xiàn)象的改善，散熱器前端的高溫也得到緩解，這是由于風扇數(shù)目的增加以及前后風扇的協(xié)同散熱作用，使得經(jīng)過散熱器的空氣流量增加，加快了散熱器的散熱速度，改善了散熱器的散熱效果。

為了更好地比較改進前后的散熱效果，在一些重要部位比如發(fā)動機缸蓋區(qū)域、排氣歧管區(qū)域、散熱器后方區(qū)域和變速器區(qū)域取一些較有代表性的觀測點(如圖10所示)，通過比較觀測點在改進前后的溫度值(見表2)可以看出增裝風扇明顯改善了散熱器的散熱效果。

圖8 改進后速度矢量圖

圖9 改進后溫度云圖

圖10 采樣點位置

采樣點改進前溫度/℃改進后溫度/℃P17857P214775P37662P46252

由表2可以看出，在發(fā)動機艙在散熱器前增加風扇之后，機艙內(nèi)各部分的溫度整體得到改善，尤其是發(fā)動機艙蓋附近和排氣歧管附近區(qū)域的溫度明顯降低，更加具體地驗證了改進的效果。

4 結 語

本文使用CFD軟件實現(xiàn)了對新型電源車發(fā)動機艙流場和溫度場的模擬。通過分析發(fā)動機艙的溫度云圖和速度矢量圖，找出發(fā)動機艙內(nèi)最高溫度的位置以及流場的流動狀況，分析機艙產(chǎn)生高溫的原因，為下一步機艙結構改進提供參考。針對仿真分析的結果，采用在散熱器前加裝吹風扇的改進方法，增大了流過散熱器的風量，與機艙本身自帶的吸風扇協(xié)同作用，更好地給散熱器進行散熱，使得原來的高溫區(qū)有明顯的改善，為新型電源車機艙結構布局的設計提供參考，也為新型電源車駐車發(fā)電提供了可靠保障。

通過仿真計算表明，邊界條件對數(shù)值模擬的結果影響很大，有必要進一步提高實驗數(shù)據(jù)的精確程度。由于排氣管和車架的周圍存在較大渦流，所以可以考慮在這些區(qū)域合理的位置增加空氣導流板，改善空氣的回流現(xiàn)象，這樣既可以解決渦流的問題，又能讓更多的空氣對發(fā)動機進行散熱。

[1] 胡玉貴,栗彥輝.軍用移動電站需求分析[J].移動電源與車輛,2001(1):44-47.

[2] 袁俠義.汽車發(fā)動機艙熱管理研究與改進[D].長沙:湖南大學,2010.

[3] ANDERS J. On the thermodynamics development of the New Volvo XC 90 using FLUENT[C]//1st European Automotive CFD Conference, Germany: 2003.

[4] EDINILSON A. CFD approach on underhood thermal management of passenger cars andtrucks[C]. SAE Paper 3577-2003.

[5] 李鋒.卡車發(fā)動機機艙散熱性能分析[D].北京:北京林業(yè)大學,2010.

[6] 袁志群,谷正氣,方遒,等.基于冷卻系統(tǒng)數(shù)值模型的發(fā)動機艙流動阻力特性研究[J].中國機械工程,2011(4):474.

(編輯：張峰)

NumericalSimulationonHeatDissipationofIntegratedStarter/GeneratorVehicleEngineCabin

CHEN Guanyu1, ZI Xinyun2, XU Xiang2, ZENG Fanqi1, BIAN Haoran1

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To solve the high temperature in engine cabin while an intergrated starter/generator(ISG) vehicle is generating, the paper firstly makes numerical simulation on air flow field and temperature field in engine cabin with computational fluid dynamics (CFD) method and Fluent software, and obtains flow field and temperature distribution in engine cabin. The calculation shows that heat accumulation in some region of the engine cabin is caused by low air flow rate. Then, it puts forward improvement scheme for the problem and verifies the improvement effect through numerical simulation. The result shows that the heat dissipation effect of the engine cabin has been improved obviously.

intergrated starter/generator(ISG); computational fluid dynamics (CFD); engine cabin; heat dissipation

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.010

U1463.6

A

1674-2192(2017)10- 0038- 05

2017-06-30；

2017-08-25.

陳冠宇(1995—)，男，碩士研究生；資新運(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導師.