熱管理研究綜述

王章，高蒙蒙，朱增懷，劉建祥

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熱管理研究綜述

王章，高蒙蒙，朱增懷，劉建祥

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章介紹了熱管理研究體系涵蓋冷卻系統、進排氣系統等，企業的熱管理發展應從系統集成角度進行統籌管理，展開節能、動力性提升的研究。概述了計算機仿真研究和試驗技術。闡述了熱管理體系、試驗標準逐漸確立對企業提升熱管理能力的重要性。

熱管理仿真；熱管理試驗；流動可視化；熱成像技術

前言

汽車的熱管理影響了車輛的諸多性能，包括發動機性能、燃料經濟性、安全與可靠性、空氣動力性、駕駛員和乘客舒適性、材料選擇、排放、維護以及部件壽命等。隨著電子技術、計算機技術的發展以及車輛燃料經濟性、排放及駕駛舒適性等相關標準的提高，人們對熱管理技術的發展提出了更高的要求，整車熱管理的研究和應用技術開發也被各大車企列為主要研究項目之一。

1 熱管理研究體系

1.1 發動機機艙熱管理

發動機熱管理是從系統整體角度集成控制發動機的燃燒、增壓及進排氣、冷卻系統和發動機艙等的傳熱，提高循環效率，降低熱負荷，研究發動機部件高低溫極限、溫度分布或者艙內風速的走向和大小（見圖1）。應用發動機熱管理技術，可以保證關鍵部件和系統安全、高效運行，控制和優化熱量傳遞過程，減小冷卻系統的尺寸和功率消耗，合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環境污染[1]。

1.2 乘員艙熱管理

乘員艙熱舒適性是一個綜合性瞬態分析項目，不僅受到車輛本身的各種因素（空調和出風口設計、動機的生熱、車體材料、漆膜、內飾材料、玻璃窗材料透射等）影響，還受到車輛外部環境（地面環境、天氣狀況等））及乘員的生理條件等諸多因素的影響。目前通常方法是通過流體計算仿真乘員艙內的空氣溫度，以此評價舒適性（見圖2）。瞬態分析的計算周期十分漫長，且無法真實地模擬各種影響因素，簡單地通過艙內氣體溫度來評價是否舒適顯得不夠精準。因此，開發可視化的乘員艙升溫降溫研究，進行區域性的溫度變化測試，有助于更精準的控制艙內溫度并提升產品性能。

圖1 優化前后機艙CFD速度矢量圖[2]

圖2 乘客艙流體計算域及體網格剖面[3]

1.3 底盤熱管理

底盤熱管理主要對象為發動機的排氣系統，消聲器、三元催化器等部件的溫度非常高，需要保證排氣系統與相鄰部件之間的間隙合適，還要分析隔熱裝置對排氣系統熱輻效果的影響，以便在適當的位置添加隔熱裝置。（見圖3）。

圖3 車身底板試驗溫度與CFD仿真溫度對比[4]

1.4 制動系統熱管理

汽車制動過程中是依靠剎車盤和剎車片之間的摩擦阻力進行剎車。由于摩擦生熱，剎車系統溫度會升高，當剎車盤和剎車片溫度高于特定數值后，摩擦片之間的摩擦系數將迅速下降，剎車系統性能衰減，甚至會剎車失效的情況。溫度升高也可能使剎車盤產生熱裂紋，導致剎車系統的損壞。因此必須要在車輛設計階段對剎車系統進行研究，并對剎車系統性能進行預測，為剎車系統的設計和選型提供參考依據。

1.5 系統部件設計與安裝布置

明確系統部件和介質的傳熱機理，通過流體仿真軟件探明整個系統的熱流分布，對部件的結構和安裝方式進行優化，使系統熱量合理分布，降低廢熱排放。如緊湊型冷卻系統的研究，換熱器系統集成化的研究等。

2 熱管理仿真研究

數值仿真計算已經成為熱管理重要的研究分析工作，隨著計算流體力學和傳熱學的快速發展及應用，計算的項目逐漸增多，計算的速度和精度逐步提高，仿真計算的工作內容也會復雜化和多元化。整車的熱測試不僅要考慮車輛的行駛工況，還要考慮外圍環境因素的影響，有些影響因素很難通過仿真手段實現，比如日照條件等。如果能通過仿真手段模擬各種測試條件，不僅可以保證試驗條件具有很好的重復性，而且可以通過仿真計算發現潛在的熱問題從而降低實車試驗成本、縮短研發周期。

2.1 一維仿真研究

汽車領域一維流體仿真軟件有Flowmaster、KULI、GT、AVL等，前兩者在主機廠和零部件廠中占有率較高。

在產品前期開發階段，Flowmaster可用于模擬冷卻、空調、燃油噴射、潤滑、進排氣等系統的流動、傳熱活動，可進行瞬態、穩態求解并對壓力、溫度、流量、傳熱量等參數進行預測和分析，且具有耗時短的特點。在軟件中搭建好模型后，輸入各零部件的性能是極其重要的一環，性能來自測試和3D計算得到，測試結果的準確性直接影響1D結果。開展3D分析時，還可使用軟件數據接口進行1D、3D聯合仿真，3D軟件可計算發動機水套或其它冷卻系統零部件的水阻、發動機艙或其它位置的進風量、冷卻系統管道和發動機表面與鄰近空氣的對流換熱[5]等，可用來在一維冷卻系統中作為輸入進行計算，而一維分析結果同樣可以作為3D模型的數據輸入，二者經過多輪迭代計算，可使分析結果更加接近實物表現。文獻[6]利用一維軟件對某發動機冷卻系統進行1D分析，通過試驗數據校驗原模型的分析結果，然后進行優化，并運用發動機水套的3D仿真結果輸入1D進行分析的方法。

2.2 三維仿真研究

車輛熱管理是一個復雜的流動與傳熱耦合系統，早期的仿真研究多采用積分迭代或一維流動假定，隨著計算機性能和流體仿真計算方法及相關學科的發展，三維流動和傳熱數值模擬方法得到大量的應用。三維仿真軟件在今天國內的車企中占有著重要的地位，國內車企還不能完成車輛在風洞中的各項性能的測試，所以CFD仿真模擬成為車輛內外流場數據的重要來源。三維流體仿真軟件較多，如STAR-CCM+、Fluent、FloEFD、OPENFOAM、ANSYS等。文獻[7]采用CFD方法數值模擬小型汽車發動機冷卻系統對全車阻力的影響特性，預測結果表明冷卻系統阻力占汽車總阻的6.9%，與試驗值吻合。

3 熱管理試驗研究

3.1 整車熱管理測試研究

汽車熱管理試驗研究按照系統分級可分為整車級、系統級、零部件子級。[8]整車試驗要求建立公司級不同種類汽車的規范和標準，結果反映設計目標的達成、相較與競品車的表現；系統級和零部件建立公司級規范和標準，根據市場、技術的變化進行適度修訂或變更，結果反映零部件組合后功能性的實現，零部件子級試驗對測試結果的精確度要求高。

按照試驗種類分級可分為車輛熱平衡試驗、車輛熱害試驗、空調高溫環境模擬試驗、空調低溫采暖試驗、車輛除濕除霧試驗。熱平衡試驗根據試驗環境的不同分為道路試驗、風洞試驗、轉轂試驗等，道路試驗可參照國家標準“GB/T 12542-2009汽車熱平衡能力道路試驗方法”，風洞試驗、轉轂試驗由企業或機構根據自身要求制定規范和標準。

3.2 新測試技術應用

3.2.1流動可視化

汽車外部流動繞流特性決定了汽車的空氣動力特性，發動機艙內部氣流流動特性決定了機艙內流阻力和發動機冷卻系統性能，駕駛室和車廂內部通風及空調特性決定乘員艙環境的舒適性。[9]從以上三個方面看出，汽車空氣動力學性能對整車綜合性能影響十分巨大，已成為評價整車性能的重要指標之一。汽車行業的流動多借助CFD軟件計算，但仿真的結果不直觀且不夠精準，而流動可視化可有效避免這些問題，國內的車企正在逐步推進此項技術的應用（見圖4）。

圖4 空氣流動可視化[10]

3.2.2熱成像技術

圖5 前排副駕側窗溫度對比[3]

紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。熱圖像上的不同顏色代表被測物體的不同溫度（見圖5）。紅外熱成像儀在汽車行業的應用有很多，如發動機結構中細微的缺陷診斷、檢測剎車盤制動溫度、通過空調開啟下的熱圖檢測乘員艙氣密性、通過后擋加熱的影像分析診斷加熱絲的分布狀態等。

4 結論

汽車熱管理研究體系的主要研究內容包括熱管理對象熱特性研究、熱管理系統集成以及熱能綜合利用等。包括對所有車載熱源系統進行綜合管理與優化，其中車載熱源系統包括發動機的冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統和發動機機艙空氣流動系統以及駕駛室的空調暖風系統等。[8]

由于仿真技術會受到輸入邊界、環境條件無法模擬、建模能力等限制，所以一些新的技術被提出，如流動可視化、熱成像技術可視化等，可幫助分析復雜的空氣或傳熱問題。試驗標準直接影響試驗結果，而標準的效果最終來自客戶對產品的綜合評價，企業級的標準建立是一項艱巨的工作，需要投入巨大的人力、物力去解決，統一各方的意見需要對技術、市場反饋有深刻的理解。

熱管理研究體系的建立應當由實體部門去完成，部門人員在冷卻系統、進排氣系統等某方面具有深入研究，部門核心目標應是推動諸多標準的建立、促進各系統熱管理人員的合作，最終實現產品競爭力的提升。

[1] 齊斌等.發動機熱管理系統試驗和仿真研究[J].車用發動機,2008, 8,4(177) :40-43.

[2] 陳雷等.某SUV氣動阻力分析與優化[C].2017汽車空氣動力學分會學術年會論文集,2017,9.

[3] 劉楊等.SUV 車型乘客艙溫度場仿真研究[C].2017汽車空氣動力學分會學術年會論文集,2017,9.

[4] 李靖等.考慮熱輻射的整車零部件溫度耦合仿真[C].2017汽車空氣動力學分會學術年會論文集,2017,9.

[5] 張寶亮,范秦寅,胡廣洪等.整車熱管理的一維與三維耦合仿真[J]. 汽車工程,2011,33(6):493-496.

[6] 劉峰,魏丕勇,陸子平等.利用FLOWMASTER改進增壓汽油發動機冷卻系統的分析研究[J].科技視界,65-68.

[7] A. Rustem Aslan等.冷卻系統阻力對汽車總阻力影響的數值預測模型研究[J].空氣動力學學報,2016,4,34（2）:232-238.

[8] 鄧義斌,黃榮華.車輛熱管理系統及其研究[J].技術應用,2011,1:52- 56.

[9] 胡凱耀.客車發動機艙熱管理研究及結構改進[D].湖南大學,碩士論文,2012.

Descriptions Of Thermal Management Resarch

Wang Zhang, Gao Mengmeng, Zhu Zenghuai, Liu Jianxiang

（JAC Automobile Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601）

The paper shows thermal management research system consists of coolant recycle,air intake and exhaust system etc. Company’s development of thermal management should control all of thing about thermal with the view of integrated system, and do more research about energy conservation and performance improvement strategies. And the paper expounds computer simulation research and test technology. At last the paper summarizes importance that can contribute to thermal management with the construction of thermal management system and test procedure to company.

Thermal Management Simulation; Thermal Management Test; Flow Visualization; Infrared Thermal Imaging Technology

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

王章(1994.08-)，男，就職于江淮汽車集團股份有限公司技術中心新技術研究院，從事熱管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.074