基于CFD的卡車機艙熱環境分析與控制

韋尚軍 ，韋以文 ，唐榮江 ，2，陸增俊

（1.東風柳州汽車有限公司，商用車技術中心，廣西 柳州545005；2.桂林電子科技大學，機電工程學院，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著社會不斷發展和科技不斷進步，人們對駕乘舒適性的要求日益提高，而大功率發動機的升級與使用惡化了汽車發動機艙熱環境，影響了駕駛室熱舒適性。計算流體力學（CFD）是一種用計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的系統分析方法和工具，在熱舒適性研究方面取得廣泛應用[1]。目前，歐美、日本等汽車工業發達的國家對CFD應用研究處于領先水平，國內也在汽車領域逐步普及應用推廣。通過數值模擬分析，可不受環境和試驗場地等因素制約限制，迅速了解產品特性，在汽車設計開發早期發現產品問題，并進行優化與改進，從而提升產品質量，減少售后問題[2，3]。

針對客戶反饋的某型長頭卡車駕駛室地板過熱問題，本文通過建模后使用CFD軟件對發動機艙溫度場進行仿真分析，找出駕駛室底地板溫度高的主要原因，確定了熱源熱害的影響程度及范圍，提出熱防護方案，并通過仿真和試驗測試驗證防護方案的實際效果。

1 理論基礎

汽車發動機艙中流場內的氣體運動可視為流體的湍流流動，它是一種無規律的流體流動狀態，具有很高的復雜性。目前的設計手段和模擬設備只能采用數值模擬的方式仿真模擬一些形態簡單的湍流現象。考慮精確性和計算效率，應用最多的就是k-ε模型，該模型引入了關于湍流動能和湍流動能耗散ε的方程[4]。

湍流動能k方程：

湍流動能耗散ε方程：

式中：Gb為氣流引起的湍流動能；Gk表示速度梯度引起的湍流動能；YM為湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；ε為湍流動能耗散率；μ為湍流有效黏性系數；ρ為空氣密度；G1ε和 G2ε為參考常數，取 G1ε=1.44 和G2ε=1.92；Sε為區域源系數[5]；σk和 σε分別為湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數，常數取值 σk=1.0，σε=1.3.

汽車發動機艙熱環境影響主要包括通過熱對流和熱輻射兩種方式，熱源主要是發動機驅動系統和排氣系統。依據牛頓冷卻公式，相對運動的流體與接觸的溫度不同的固體壁面之間，流體會從溫度高的一方傳導。

熱對流方程：

式中：Q為對流換熱熱量（W）；A為與流體接觸壁面面積（m2），又叫換熱面積；tw為固體表面溫度；tf為環境溫度。

如果輻射換熱跟對流和導熱傳熱處于相同數量級時需考慮輻射。

式中：Q為熱輻射力；ε為輻射率；tw為表面溫度；tf為環境溫度。其中輻射系數σ是黑體輻射常數[1]，為 5.6704 × 10-8W/（m2·K4）.

2 模型建立與仿真分析

2.1模型建立及邊界條件設定

建立一個包含車身、動力總成、冷卻總成、進排氣及駕駛室底板等各大系統的汽車機艙簡化模型，保持零部件的表面特征，見圖1.將數模導入CFD軟件，采用多面體網格對數模進行劃分，在進氣格柵、線束區域進行局部加密，以提高收斂性和計算精度，總網格數量為2 236萬。

圖1 機艙簡化數模

本次計算采用速度入口，壓力出口和壁面三種流動邊界條件。整個流體計算區域分別設置為5倍車長，3倍車寬和4倍車高，如圖2所示。并按表1設置計算初始邊界參數。

圖2 整車三維計算區域

表1 初始邊界參數

2.2仿真分析及試驗結果對比

采用汽車輸出扭矩與發熱量最大的工況進行模擬仿真，即模擬卡車滿載拖車行駛工況，得到駕駛室底地板表面排氣管正上方的溫度分布，如圖3所示。圖中可以看到排氣管溫度可以達到500多度，而排氣管正上方的駕駛室底部區域受到排氣管高溫輻射的影響，溫度也在53℃以上。

圖3 機艙駕駛室底地板溫度云圖

為了找出原因并驗證仿真結果正確性，本文通過實車測試進行驗證，即在實車機艙內布置6個溫度測點，進行摸底測試，測試圖如圖4所示。通過測試和仿真進行對比得到6個測點與計算值的差異，如表2所示。

圖4 機艙駕駛室底板實測圖

表2 測試值與模擬仿真值對比

從表2可知，位于排氣正上方的①②③⑥號測點的實測溫度較其他測點更高，都在60℃以上，因而排氣系統散熱是導致駕駛室地板和檔位處過熱的重要原因。同時，6個測點的實測溫度與仿真溫度誤差都在5%以內，仿真結果滿足精度要求，可用于指導理論論證和方案整改，從而實現減少試驗次數，提高效率，降低成本的目的。

2.3機艙熱環境控制

上述仿真結果表明，排氣系統熱源布置是影響駕駛室底鈑金地板過熱的主要因素。針對該問題，本文擬采用在熱源表面增加隔熱材料的措施對機艙熱環境進行控制，從而阻斷熱傳遞路徑，減少熱輻射對駕駛室的影響。

在前面建立的機艙模型排氣管平滑段表面增加隔熱材料層。材料介質為玄武巖纖維，厚度為5 mm.仿真過程中以等效熱阻方式替代，進行分析計算，如圖5所示。

圖5 排氣隔熱后溫度云圖

如圖5仿真溫度云圖所示，在排氣管表面增加隔熱材料后，排氣管表面和駕駛室底鈑金表面溫度明顯下降，其中地板最高溫度點①號測點表面溫度值為58.7℃，相對于優化前仿真值降低12.8℃，降溫效果明顯。由此說明對熱源表面采取隔熱措施，可以有效降低熱傳遞與熱輻射。

3 方案驗證

3.1測試方案

為了驗證上述仿真方案的實際改善效果，在某試驗車的排氣管平滑段增加隔熱護套，隔熱套是一種由玄武巖纖維、玻纖無紡布和玻纖硅紡布三種材料組成的三層結構，如圖6所示。完成隔熱措施后進行重載工況下的拖車試驗，同時對①號測點的表面溫度進行測試，測試過程見圖7所示。

圖6 隔熱層結構圖

圖7 排氣隔熱后實車測試

3.2測試結果

增加隔熱護套后，駕駛室地板的①號測點實測結果如表3所示。從表中可見增加隔熱護套后的表面測試溫度為57.1℃，而未加護套前的同一測點溫度為69.4℃，降低了12.3℃.該測試結果也驗證了仿真結果的有效性。結果表明此次改進措施顯著降低了排氣系統熱源表面溫度，抑制了熱輻射，達到改善效果。

表3 改善前后實測溫度對比匯總

4 結論

（1）應用數值模擬方法，對商用車機艙進行溫度場分析，得出排氣熱源是造成駕駛室地板過熱的主要原因，仿真分析與實測結果基本吻合，表明CFD數值模擬分析方法具有可靠性，可指導方案優化，替代部分后續試驗驗證，提高汽車設計效率。

（2）通過進行實車試驗，駕駛室地板溫度明顯降低，證明了在熱源表面增加隔熱措施的有效性與必要性，對汽車零部件熱保護、駕駛室熱環境改善都有良好效果，對提高汽車產品質量，具有重要工程應用價值。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]肖國權，楊志剛，張萬平.汽車熱管理系統共軛換熱仿真[J].系統仿真學報，2010，22（7）：1733-1736.

[3]姚仲鵬，王新國 .車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學出版社，2001.

[4]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]謝 暴，陶其銘.基于CFD的汽車發動機艙熱管理及優化[J].汽車安全與節能學報，2016，7（1）：115-122.