基于Star-CCM+的某混動車輛前艙熱流場分析研究

浙江吉利新能源商用車有限公司 張羽翼 張克鵬

一、引言

整車前艙熱管理性能是整車性能開發中一個關鍵指標，前艙溫度場直接影響艙內零部件性能及可靠性，傳統開發過程中，整車熱環境測試要在車輛開發后期的實車進行測試，開發周期長且風險較高。因此在整車開發初期，通過CFD技術進行前艙溫度場分析，直觀發現艙內和高溫排氣系統周圍溫度分布情況，找出問題，提出合理改進建議就顯得尤為重要了。

相對于傳統車輛，混合動力汽車在動力系統方面更加復雜，不僅和傳統車輛一樣擁有發動機、排氣系統等熱源，而且有動力電池、驅動電機等熱源，動力電池與驅動電機帶有獨立的冷卻系統，機艙里面的布置更加緊湊，因此，對整車機艙內的熱量釋放要求更高。

近年來，全世界的汽車制造商都依賴于耗時的風洞試驗和計算流體動力學（CFD）仿真來研究汽車的空氣動力學性能。本文利用CFD軟件STAR-CCM+對某混合動力汽車進行數值模擬，對關鍵零部件在典型工況下的溫度場進行分析評估，并提出改進建議。

二、流體力學及傳熱學方程

計算流體力學是把描述空氣運動的連續介質數學模型離散成大型代數方程組，并在計算機上求解。通過微分方程的離散化和代數化，把偏微分方程轉化為代數方程，再通過適當的數值計算方法求解方程組，得到流場的數值解，然后通過不同的擬合方法把節點解擬合到網格的對應區域。

流體流動時所有介質滿足物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態時，整個體系還要遵循湍流運輸方程。以上這些守恒定律的數學描述，統稱為控制方程。文中選用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型進行數值計算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程：

（1）連續方程：

（2）動量方程：

（3）能量方程：

式中：ui、uj是平均速度分量，xi、xj為坐標分量，p是流體微元體上的壓力，μeff是湍流有效黏性系數，T是溫度，k為流體換熱系統，Cp為流體比熱容，ST是流體內熱源和由粘性作用引起流體機械能轉變為熱能。

由于在對Navier-Stokes方程進行雷諾時均處理過程中，引入與湍流脈動值有關的新的變量項-（雷諾應力項）。為了使方程組封閉，必須對雷諾應力做出假設，即建立應力表達式或引入新的湍流模型方程，通過這些表達式或湍流模型，把湍流的脈動值與時均值聯系起來。研究表明，標準k-ε模型應用于時均應變率特別大的情況時，有可能導致負的正應力，為了使流動符合湍流流動的規律，需要對正應力進行某種數學約束。從而提出了Realizable k-ε模型中關于k和ε的運輸方程。

（1）湍流動能k方程：

（2）湍流動能耗散率ε方程：

式中：ρ為流體密度，Gk為因平均速度梯度引起的湍流動能k的產生項：

（3）湍流有效黏性系數μeff：

三、模型建立及邊界條件

1.模型建立

計算模型為某混合動力汽車，采用CATIA建立其三維模型。前艙熱管理分析模型包括前艙總成、車身總成、冷卻系統、進排氣系統，在前處理軟件中進行幾何清理和面網格的劃分，網格全部采用三角形網格，最終形成Triangle網格數為4472394，整車模型及前艙內細節模型如圖1、圖2所示。

圖1 整車面網格模型

圖2 前艙局部細節模型

進行整車CFD分析時，其模擬風洞要減小其阻塞效應，研究表明，低于1%的風洞試驗結果，阻塞干擾產生的誤差才不需要修正。根據這一理論，計算域上部留6倍車高，左右各5倍車寬，從車輛空氣動力學研究經驗來看，汽車風洞試驗過程中，汽車尾部有一個比較大的湍流區域，這個區域的流動非常紊亂，數值計算過程中，這個區域如果模擬得不好對結果會產生重大的影響。所以車輛尾部一般設定8倍車長的區域，保證汽車湍流區域充分發展；對于汽車前部，由于設定的風洞入口的風速比較穩定，為了充分模擬汽車前部的空氣流動，汽車前部區域也要留出一定的空間，前部取4倍車長。

由于重點考慮前艙溫度場，同時為了減小整個模型網格數量，該車前部取LS為2倍車長，車輛尾部取3倍車長，上部留4倍車高，左右各2倍車寬。整車體網格和邊界層網格在STAR-CCM+中生成。在STAR-CCM+中，指定網格最小尺寸為2mm，最大尺寸為512mm，邊界層厚度3mm，邊界層數為3層。通過體網格局部加密功能（Volumetric Controls）進行局部加密，車輛附近的區域網格劃分比較密，遠離車身的區域網格密度依次變得稀疏。目的是為了保證捕捉到溫度場的細節和提高計算穩定性收斂性的同時，能控制網格總體數量，節約計算時間，最終生成體網格數量為42892952，圖3為其虛擬風洞體網格模型。圖4為中心對稱面處切面圖，可以顯示整個模型加密區域。

圖3 整車體網格模型

圖4 整車體網格模型

2.邊界條件的設定

（1）分析工況。在進行混合動力汽車前艙熱管理的數值模擬過程中，一般設定有工況1低速爬坡工況和工況2最大速度2個典型工況，具體工況如表1所示。

表1 分析工況

（2）熱交換器設定。車輛熱交換模塊的散熱器、冷凝器等模型，如圖5所示。由于這些模型具有特征小，密度集中的特點，如果生成體網格來計算，運行速度緩慢且無必要，從工程角度更多關注換熱芯體對整體性能及氣流的影響。一般把沿換熱芯體的氣流在整個模型中看作連續

圖5

分布的氣流，芯體沿氣流方向的流動假設為多孔介質流動，流體只沿氣流軸向方向，不存在其他方向質量交換。在STAR-CCM+中，多孔介質的壓降公式表示為：

式中，△p為流體經過多孔介質后的壓降，單位為Pa；Pi為多孔介質的慣性阻力系數，單位為kg/m3；v為流體經過多孔介質的等效速度，單位為m/s；Pv為多孔介質的粘性阻力系數，單位kg/m2·s；L為多孔介質軸向長度，單位為m。

該車型冷凝器、發動機散熱器、驅動電機散熱器、動力電池散熱器的粘性阻力系數和慣性阻力系數參數如表2所示。

表2 多孔介質參數

（3）熱邊界設定。車輛運行過程中，主要的熱源來自于各熱交換器、發動機和排氣系統，熱交換器熱源定義如表1所示，發動機相關熱邊界條件定義如表3所示。

表3 發動機熱邊界條件

排氣管表面溫度邊界如圖6、圖7所示。其中圖6為發動機轉速2500rpm時各零部件表面的溫度，圖7為發動機轉速4000rpm時各零部件表面的溫度。

圖6 轉速2500rpm排氣系統表面溫度

圖7 轉速4000rpm排氣系統表面溫度

前艙及排氣管對周邊部件的影響除了熱對流之外，熱輻射也是主要的影響因素，計算過程中充分考慮系統的熱輻射影響因素，圖8為排氣管路隔熱材料及熱性能參數，材料混合為從外到內順序。

圖8 排氣管路隔熱材料及熱屬性

四、CFD計算結果分析

1.流場分析

圖9、圖10分別為工況1（爬坡工況）和工況2（最高車速）的流場分布。

圖9 工況1流場等值線圖

圖10 工況2流場等值線圖

通過圖9、圖10可以看出，工況1和工況2在冷卻模塊前端流場基本一致，空氣離開風扇后快速分離，經過發動機后流向機艙上方和前輪罩方向，機艙上方的氣流繼續車輛后方流動，輪罩處的氣流在車輛兩側緊貼車身繼續向車輛后方流動，最后氣流在車輛后方匯合形成渦流。

2.冷卻模塊分析

由于在前艙內，冷卻模塊布置比較緊密，而且也是主要熱源分布區域，因此重點考察該區域。表4為工況下冷卻模塊氣流量及平均溫度分布結果。

表4 冷卻模塊氣流量及平均溫度分布

從表4中可以看出，氣流從前艙格柵進入機艙后，先后經過冷凝器、并排的驅動電機散熱器和動力電池散熱器后，最后經過發動機散熱器和風扇，出口表面溫度逐步上升，由于電池散熱器的發熱量較驅動電機散熱器小很多，所以兩個工況中，氣流經過冷凝器后，到達驅動電機散熱器出口表面溫度較動力電池出口表面溫度低；工況2車速較高，經過各個熱交換器的氣流量較大，能帶走更多的熱量，所以工況2各換熱器出口表面溫度較工況1低。

圖11為工況1和工況2前艙溫度場分布云圖。從圖11中可以看出，工況1在發動機散熱器后方就出現溫度超過85℃氣流，且在經過發動機時，發動機周邊溫度都超過了85℃，雖然工況2各個熱交換器的發熱量比工況1都大，但是由于氣流流速較大，散熱效率較工況1強，因此總體工況1的熱環境較工況2更加惡劣。

圖11 前艙溫度場分布云圖

3.關鍵件溫度場分析

（1）前副車架及地板。圖12為工況1和工況2前副車架和地板處的溫度場云圖。

圖12 前副車架和地板溫度場分布云圖

前副車架和地板都暴露在排氣管路上，工況1結果顯示其在排氣管路附近的溫度都達到了160℃。工況2結果顯示地板上最高溫度達到145℃，而在副車架上，最高溫度都達到了200℃。該溫度范圍對材料的剛度和強度影響不是十分顯著，但是對于前副車架的防腐涂層會有一定的風險。

（2）高壓電管路。圖13為工況1和工況2高壓電管路處的溫度場云圖。

a.工況1溫度云圖

圖13 高壓管路溫度場分布云圖

由于高壓管路在渦輪增壓器和其隔熱罩附近，工況1溫度結果顯示，局部溫度已經達到120～138℃，最高溫度甚至達到150℃，高壓管路目標值在180℃。不過高壓管路的目標值僅僅考慮了絕緣套管材料的熱退化，沒有考慮導體本身溫度影響。工況2結果顯示高壓管路最高溫度在120℃，在目標值范圍以內。工況1較工況2惡劣，但都在容許范圍內。

（3）轉向系統。圖14為工況1和工況2轉向系統處的溫度場云圖。

由于轉向齒條的中部在催化器附近，工況1和工況2的最大溫度區域都已經到達200℃，最高溫度甚至達到225℃，超過其限定溫度120℃。因此該區域應該考慮增加隔熱罩，以有效阻止來自于高溫催化器表面的溫度輻射。

圖14 轉向系統溫度場分布云圖

4試驗對比結果

在帶有環境的風洞中進行該車型熱平衡試驗。表5為冷卻模塊流量仿真與試驗結果對比，表6為關鍵件溫度檢測點測試結果。

部件工況1仿真結果（kg/s）試驗結果（kg/s） 誤差（%）冷凝器 0.98 1.02 4.1驅動電機散熱器 0.46 0.44 4.3動力電池散熱器 0.46 0.43 6.5發動機散熱器 1.05 0.98 6.7風扇 1.17 1.09 6.8誤差（%）冷凝器 2.02 2.14 4.0驅動電機散熱器 0.94 0.95 1.1動力電池散熱器 0.92 0.94 2.2發動機散熱器 1.70 1.64 3.5風扇 1.60 1.55 3.1部件工況2仿真結果（kg/s）試驗結果（kg/s）

表6 關鍵件溫度仿真與試驗對比

從表5和表6中可以看出，仿真結果與試驗結果，冷卻模塊流量誤差都在7%以內，關鍵件溫度誤差最大達到了10%，這是由于仿真計算過程中忽略了對流換熱的影響。仿真與試驗在各自絕對值有一定差別，但是趨勢和幅度基本一致。因此可以利用CFD仿真結果對后續設計優化提供有效支持。

五、結語

在新車型開發前期階段，利用STAR-CCM+對前艙流場和溫度場進行仿真分析，根據仿真結果，了解到冷卻模塊處流量及溫度場分布，并對關鍵件處的溫度場進行了分析，提出風險存在位置。最后將仿真與試驗結果進行對比，仿真結果與試驗結果誤差在合理范圍之內，證明仿真分析的可靠性，后續車型性能優化過程中，可以提供有效技術支持。