基于矩陣風扇的車輛前端換熱優化

王宏朝, 單希壯, 楊志剛

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心, 201804, 上海)

基于矩陣風扇的車輛前端換熱優化

王宏朝, 單希壯, 楊志剛

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心, 201804, 上海)

為提升實車散熱器的換熱性能,在傳統乘用車單風扇系統的基礎上設計出5種風扇矩陣型式,利用數值仿真分析不同矩陣型式對散熱器換熱性能的影響,并提出差速控制策略,進一步優化車輛冷卻前端換熱。結果表明:不同矩陣風扇型式對散熱器換熱性能的影響不同,其中矩陣風扇(風扇數N=6)所實現的換熱量最大,為最優的布置型式;對于矩陣風扇(N=6),當低溫區風扇以較高轉速運行時,能夠減少怠速工況下車輛前端的熱回流,降低發動機艙內部的平均溫度,有效改善發動機艙的熱環境;同時在怠速工況下當轉速比為3時,散熱器換熱量達到6.61 kW,相比勻速工況提高1.71%,而當車輛低速行駛且轉速比為1.8時,散熱器換熱量為10.73 kW,相比勻速工況增加1.2%;此外,低溫區風扇以較高轉速運行還能夠抑制發動機艙內部及護板下方的流動分離,并降低車輛低速行駛時發動機艙內部流道的沿程阻力。

矩陣風扇;散熱器;換熱性能;差速控制

隨著高性能發動機的不斷普及以及對乘員艙環境舒適性要求的不斷提高,同時受限于車身造型趨勢的變化,現代車輛前端的冷卻模塊需要滿足更為嚴苛的設計目標[1-2]。傳統乘用車的前端冷卻模塊大都為CRFM型式,即冷凝器、散熱器、風扇并排布置,進氣量低、換熱效率差成為目前車輛前端冷卻模塊普遍存在的問題[3-5]。

為優化前端冷卻模塊,Delphi推出CFRM型式,即將風扇放置在冷凝器與散熱器中間,并通過仿真得出在相同進氣量下,該型式能夠減少19%風扇能耗[6]。Suvankar等人通過優化導風罩的結構型式提高了前端進氣量,并一定程度上抑制了熱回流[7]。近年來,在車輛領域逐漸引入了矩陣風扇的概念,即采用一組小尺寸的風扇組合來代替原有的單風扇系統。Nikolaos Staunton通過采用矩陣風扇系統,實現風扇系統能耗降低17kW,整車燃油經濟性提升5%[8]。AVID提出的e-Fans冷卻系統采用了矩陣風扇型式,通過對搭載該系統的車輛進行測試表明,發動機的寄生負荷得到明顯降低,整車油耗能夠降低15%[9]。EMP公司對矩陣風扇系統中存在的流動干涉問題進行了研究,并通過調整不同小風扇之間的轉向減少了二次流的產生[10]。Clemson大學基于其所設計的矩陣風扇系統,通過先進的非線性算法來控制風扇的運轉數目及轉速,風扇系統能耗最高可降低67%[11-12]。國內方面,福田歐輝提出的e-AIR發動機智能冷卻系統同樣采用了一組電驅動的風扇組合,不僅使整車能耗降低3%～5%,客車的內外噪聲也能夠降低2～3 dB[13]。

雖然矩陣風扇的應用已較為廣泛,但對最優矩陣風扇型式及其控制策略的研究仍較少。因此,本文首先分析不同矩陣風扇型式對散熱器換熱性能的影響,之后從主動層面研究如何利用差速控制進一步優化前端冷卻模塊。

1 仿真模型

1.1 數值模型設定

本文首先建立某乘用車的幾何模型,該模型為1∶1整車模型,基本保留了所有的實車細節,并忽略對流場影響較小的組件,如圖1所示。該乘用車前端冷卻模塊由冷凝器、散熱器、風扇及導風罩組成,其中冷卻風扇為單風扇布置型式,風扇直徑為356 mm,散熱器包含完整的上水室、散熱器芯體、下水室,芯體的幾何尺寸為700 mm×400 mm×18 mm。

計算域參照同濟大學環境風洞進行創建,如圖2所示。面網格劃分采用三角形網格,體網格劃分采用以六面體為核心的剪裁體網格,具體各區域的網格尺寸參考表1進行設置,并對發動機艙、車身底部等關鍵區域進行局部加密,最終劃分的體網格數約為2 500萬。

湍流模型選擇可實現k-ε模型,近壁面使用Two-Layer All y+Wall Treatment以減少對邊界層網格質量的敏感性[14]。

圖1 冷卻模塊、發動機艙及車身底部布置

圖2 計算域模型及中截面網格

域網格尺寸/mm車身前部車身底部發動機艙壁面邊界層高度/mm地面(6層)其他(2層)545503

入口邊界設為質量流量入口,出口邊界設為分散流出口,壁面邊界條件取固定壁面。忽略輻射換熱的影響,對于放熱部件,將其設定為均勻的溫度壁面邊界,其他部件則設為絕熱壁面條件,環境溫度設為28 ℃。

本文選取怠速工況及低速爬坡工況(40 km/h)作為研究對象。所有算例皆采用穩態計算,迭代5 000步后殘差降至10-4數量級,認為計算收斂。

1.2 冷卻模塊建模

流體通過散熱器芯體所產生的壓降使用多孔介質模型來模擬,其黏性阻力系數和慣性阻力系數通過單體測試數據擬合得到(見表2)。為模擬散熱器芯體中冷卻液和冷卻空氣之間的換熱,本文采用雙流體換熱器模型,該模型是基于試驗測得的冷卻空氣流量與換熱速率的擬合關系(見圖3)計算出實際散熱量[15]。散熱器的冷卻液入口設為質量流量入口,并給定質量流量為0.462 kg/s,入口溫度為97.26 ℃。

表2 散熱器多孔介質阻力系數

圖3 散熱器換熱性能曲線

1.3 矩陣風扇建模

風扇模擬采用多重參考系模型(MRF),通過對包圍風扇葉片的流體區域設定旋轉坐標系來模擬風扇轉動,風扇轉速由風洞試驗中怠速工況下測得的轉速給定。為對比不同的矩陣風扇型式,在原有單風扇系統的基礎上,共設計風扇數N=2,4,6,8,15的5種矩陣風扇型式[16],如圖4所示。

1.4 模型驗證

(a)原單風扇結構 (b)矩陣風扇N=2

(c)矩陣風扇N=4 (d)矩陣風扇N=6

(e)矩陣風扇N=8 (f)矩陣風扇N=15圖4 矩陣風扇型式

圖5 車輛前端總壓驗證試驗

圖6 車輛前端總壓試驗與仿真結果的對比

通過對比車輛前端總壓來驗證模型,在車頭前端200 mm處安裝總壓排,該總壓排共布置28個直徑為1 mm的總壓管,驗證試驗在同濟大學環境風洞(見圖5)中進行。試驗風速為120 km/h,圖6所示為試驗與仿真的結果對比,可以看出在核心射流區,仿真所得的總壓分布與試驗結果吻合較好,平均誤差約為1.14%,考慮到建模過程中由于模型簡化所引入的模型誤差,可認為該模型具有較高的數值精度。

2 結果及分析

2.1 不同矩陣型式下散熱器換熱性能對比

基于原單風扇系統的直徑和轉速根據風機的流量相似定律計算得到各矩陣風扇的等效轉速(見表3),在各矩陣風扇的驅動下,散熱器所實現的換熱量如圖7所示,相比原單風扇系統,使用N=2,6,8的矩陣風扇皆能夠提升散熱器換熱量,其中在N=6的矩陣風扇下散熱器所實現的換熱量最高,達到8.23 kW,相比原單風扇系統提升5.28%。

表3 矩陣風扇等效轉速

圖7 各矩陣風扇型式下散熱器換熱量

為分析不同矩陣型式下散熱器換熱性能差異的原因,引入空氣側換熱效率

(1)

圖8 不同矩陣風扇型式下散熱器空氣側換熱效率及風扇面積覆蓋率

式中:Tc,o、Tc,i分別為芯體空氣側出口以及入口的溫度;Th,i為冷卻液入口溫度。圖8所示為各矩陣風扇型式下散熱器空氣側的換熱效率以及風扇總投影面積相對于芯體的覆蓋比例,能夠看出兩者存在較明顯的正相關性。由于面積覆蓋率的提高,擴大了風扇的作用范圍,使得散熱器空氣側的換熱效率得到提升,其中N=6的矩陣風扇面積覆蓋率最高,達到46.4%,相應所實現的散熱器空氣側換熱效率最高,達到33.72%,因此可以推出N=6的矩陣風扇為最優布置型式。

2.2 N=6的矩陣風扇差速運行下車輛前端的流動分布

圖9為車輛前端中截面的速度流線圖,可以看出隨著發動機艙的結構環境變得日趨復雜,同時受到進氣格柵、保險杠等組件的影響,空氣在到達冷卻模塊時已變得極為不均勻,且下格柵的進氣效率明顯高于上格柵。怠速時發動機護板下方存在明顯的流動分離,使得由發動機艙底部流出的高溫氣體回流至格柵入口,即產生所謂的熱回流現象,造成冷卻模塊空氣側的入口溫度升高,進而降低其換熱性能。低速工況下,受沖壓氣流的作用,發動機護板下方的流動分離得到抑制,但格柵入口的進氣不均勻性增加,可以看出冷卻模塊上端存在一個明顯的低速區。

圖9 車輛前端速度流線圖

為進一步優化前端冷卻模塊的換熱性能,基于N=6的矩陣風扇提出差速控制策略。通過冷卻液在散熱器芯體中的流向,將N=6的矩陣風扇劃分為高溫區風扇和低溫區風扇兩部分(見圖10),并設定1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.5、3共7種轉速比α,同樣根據流量相似定律求得不同轉速比下的運行轉速[17],如表4所示。

圖11為車輛怠速時矩陣風扇以不同轉速比運行時車輛前端中截面的速度流線圖,在怠速工況下,當高溫區風扇以較高轉速運行且轉速比α≥1.8時,發動機護板下方的渦得到抑制,但會進一步降低格柵前端的靜壓,誘導更多的熱空氣回流至發動機艙。

當N=6的矩陣風扇的低溫區風扇以較高轉速運行時,在各轉速比下,發動機護板下方的流動分離

表4 不同轉速比轉速設置

圖10 高低溫區域風扇劃分

圖11 怠速工況矩陣風扇差速運行下車輛前端中截面速度流線圖

皆能夠得到完全抑制,減少了前端熱回流。此外,通過冷卻模塊的氣流更多的由發動機下方直接流出,使繞過發動機總成并沿乘員艙隔熱層流出的氣流減少,在加強對排氣歧管、柔性節等高溫部件進行散熱的同時,也有利于對發動機艙內部熱敏感部件的熱防護。

低速工況下,從發動機艙中截面的速度流線圖(見圖12)可以看出,矩陣風扇的差速運行對車輛前端的流動分布影響不大,但當低溫區風扇以較高轉速運行時,導風罩后方的渦能夠得到抑制,使得冷卻模塊與發動機總成之間的氣流速度梯度減小,降低了發動機艙內部流道的沿程阻力。

圖12 低速工況矩陣風扇差速運行下車輛前端中截面速度流線圖

2.3 矩陣風扇N=6差速運行下車輛前端的換熱性能

2.2節中指出當車輛怠速時,車輛前端會產生熱回流,這一現象也可由前端中截面的溫度分布云圖看出,如圖13所示,發動機護板下方以及格柵與冷凝器之間的區域溫度有明顯上升。當N=6的矩陣風扇以一定的轉速比差速運行時,如圖14所示,車輛前端的溫度分布發生明顯的變化。當高溫區風扇以較高轉速運行時,由于前端熱回流的增加(見2.2節),冷卻模塊前端的溫度持續升高,且發動機艙空氣側的溫度也有所增加。反之,當低溫區風扇以較高轉速運行時,冷卻模塊前端的溫度有明顯下降,且隨著轉速比的增加,發動機艙整體的平均溫度逐漸降低,有效改善了發動機艙的熱環境。

圖13 怠速工況下車輛前端溫度分布云圖

圖14 怠速工況下矩陣風扇差速運行下車輛前端溫度分布云圖

從各工況下散熱器所實現的換熱量來看(見圖15),在怠速工況下,當高溫區風扇轉速較高時,隨著轉速比的增加,散熱器換熱量逐漸降低,而當低溫區風扇以較高轉速運行時,隨著轉速比的增加,散熱器換熱量呈現先降低后增加的變化趨勢,當轉速比α=1.4時,換熱量最低,為6.36 kW,當轉速比α≥2.5時,散熱器的換熱量超過勻速運轉工況,特別是當轉速比α=3時,換熱量達到6.61 kW,相比勻速工況提高1.71%。對于低速行駛工況,矩陣風扇在差速運行時皆能夠提升散熱器的換熱性能,當高溫區風扇轉速較高時,提升幅度較小,但隨著轉速比的變化趨勢不明顯。當低溫區風扇轉速較高時,換熱量增幅顯著,且當轉速比α≥1.6時,換熱量趨于穩定,當轉速比α=1.8時,散熱器獲得最大換熱量,達到10.73 kW,相比勻速工況增加1.2%。

圖15 不同工況下散熱器換熱量

3 結 論

本文在傳統乘用車單風扇系統的基礎上設計了5種風扇矩陣型式,并利用數值模擬技術分析不同矩陣型式對散熱器換熱性能的影響,最后基于最優矩陣風扇型式提出差速控制策略,進一步優化車輛冷卻前端換熱,結果如下。

(1)不同矩陣風扇型式對散熱器換熱性能的影響不同,由于N=6的矩陣風扇的芯體覆蓋面積最大,所實現的散熱器空氣側換熱效率最高,相應的換熱量也最大,達到8.23 kW,相比原單風扇系統提升5.28%。

(2)對于N=6的矩陣風扇,當低溫區風扇以較高轉速運行時,能夠減少怠速工況下車輛前端的熱回流,降低發動機艙內部的平均溫度,改善了發動機艙的熱環境,同時當車輛怠速且轉速比α=3時,換熱量達到6.61 kW,相比勻速工況提高1.71%,而當車輛低速行駛且轉速比α=1.8時,散熱器換熱量為10.73 kW,相比勻速運行工況增加1.2%。

(3)同樣地,低溫區風扇以較高轉速運行還能夠抑制發動機艙內部及護板下方的流動分離,并降低車輛低速行駛時發動機艙內部流道的沿程阻力。

綜上所述,采用適合的矩陣風扇型式并配合差速控制策略能夠在不增加風扇系統能耗的前提下,有效提升散熱器的換熱性能,同時能夠改善發動機艙的熱環境。

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HeatDissipationOptimizationofVehicleFrontEndBasedonMatrixFan

WANG Hongchao, SHAN Xizhuang, YANG Zhigang

(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China)

To improve the heat dissipation performance of vehicle radiator, based on the single fan configuration of a traditional passenger car, this paper designs five different matrix fan configurations, and numerically analyzes of the effect of different configurations on the heat dissipation performance of radiator. With the differential control strategies introduced, a further optimization of the thermal management on the vehicle front end is conducted. The final results indicate that different matrix fan configurations have different effects on the heat dissipation performance of radiator, the matrix fan (N=6) is the optimal configuration due to the largest heat dissipation achieved. As the fans run in low-temperature region at higher speed, this matrix fan can decrease the hot air recirculation at idle and lower the average temperature in underhood, thus effectively improving the thermal environment of underhood. In the idle condition, when the rotation speed ratioα=3, the heat dissipation reaches 6.61 kW, which is improved by 1.71% compared with the uniform speed condition; and similarly, in the low-speed condition, when the rotation speed ratioα=1.8, the heat dissipation reaches 10.73 kW, which is improved by 1.2%. Moreover, the fans running in low-temperature region at higher speed also can suppress the flow separation in underhood and beneath the engine board, and decrease the flow resistance in underhood as the vehicle runs at a low speed.

matrix fan; radiator; heat dissipation performance; differential control

2017-07-16。 作者簡介: 王宏朝(1987—),男,博士生;單希壯(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目: 國家國際技術合作專項項目(2014DFA10610);上海市地面交通工具風洞專業技術服務平臺項目(16DZ2290400)。

時間: 2017-10-18

網絡出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171018.1628.006.html

10.7652/xjtuxb201801011

U467.1

A

0253-987X(2018)01-0069-08

(編輯 荊樹蓉 苗凌)