淺談利用CFD仿真分析車輛冷卻系統

方升

摘要：在能源危機、排放法規日趨嚴格和乘坐舒適性要求的提高背景下，對車輛熱管理的要求越來越高。本文主要就汽車冷卻系統換熱性能做數據收集工作，性能邊界數據包括試驗測試數據和仿真分析結果，文中利用試驗測試與仿真分析手段對水泵性能數據、節溫器性能數據和散熱器性能數據進行測試與計算。并將分析結果與試驗數據對比，驗證分析精度，根據分析結果與試驗數據可知，分析結果具有足夠的精確度，CFD仿真分析方法可以應用于產品開發中，指導產品設計。

關鍵詞：熱管理;CFD仿真分析;性能測試;冷卻系統;對比

0? 引言

車輛熱管理研究涉及多種邊界條件，首先通過計算及測試手段獲取各性能數據，換熱分析常涉及如各換熱元件的性能參數、熱管理工況點、各個部件的換熱量、發動機水套本體性能和換熱部件的空氣量邊界等。不同類型的數據獲取方式不一樣，零部件性能數據可以利用臺架試驗測試得到，一些無法試驗獲取的數據可以通過仿真分析確定。接下來就部分部件測試過程及測試結果進行講解，主要部件為水泵、節溫器、散熱器。

1? 冷卻模塊性能數據分析與測試

冷卻模塊主要包括冷卻水泵和節溫器，其中水泵主要的功用是對冷卻液進行加壓，保證冷卻液在冷卻系統中循環流動，汽車中常用離心式水泵，主要結構包括水泵蝸室、葉輪、旋轉軸及進出水口等結構。冷卻模塊另一個結構為節溫器，節溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門，節溫器根據冷卻液溫度的高低來控制冷卻液是否流向散熱器。

1.1 冷卻模塊的仿真分析

首先確定冷卻模塊中的水泵和節溫器性能數據，為了驗證這兩個部件性能數據的準確性，首先對這兩個部件進行仿真分析，獲取節溫器流阻性能數據和水泵單體性能數據，然后再利用臺架試驗驗證分析結果的準確性。

冷卻模塊CFD（計算流體動力學）首先依據三維幾何模型進行流體域的抽取，然后再通用有限元軟件中進行幾何處理和面網格的劃分，接著在流體軟件中生成流體網格并將邊界條件輸入，最后進行CFD分析以及計算結果的查看。

首先對冷卻模塊進行流體域的抽取，將冷卻模塊流體域各進出口進行了標注，該結構主要包括節溫器和水泵兩部分。然后對冷卻模塊進行模型處理及網格劃分，最后生成流體域，為了保證分析結果準確性，需要保證網格具有較好的質量，最后給定不同的流量和壓力邊界進行冷卻模塊的CFD分析。

根據不同流量和壓力邊界下的分析結果統計出節溫器流阻性能曲線和水泵單體性能數據，結果如圖1所示。其中圖2為節溫器流阻特性仿真結果。圖3為水泵單體性能仿真分析結果，水泵揚程數據與系統阻力情況直接決定系統流量分配情況。

1.2 冷卻模塊試驗

為了保證節溫器流阻數據和水泵單體性能數據的準確性，需要進行節溫器單體臺架試驗和水泵單體性能臺架試驗。

首先進行節溫器單體性能試驗。通過壓差傳感器測量測試部件兩側的壓差，通過調節閥調節測試系統阻力，進而實現變流量測試，通過流量計獲得通過測試部件的流量大小，系統中的泵部件為動力部件，實現系統流量的流動，水箱對多余的液體進行儲存及加熱的作用。最后進行測試數據處理并繪制成節溫器壓損特性曲線，具體數據如圖2和圖3所示，根據圖中仿真分析結果和試驗測試數據對比可知，兩組數據偏差在10%以內，說明仿真結果具有足夠的精度，也說明測試數據結果可信，可以應用于后續計算中。

水泵單體性能試驗臺架的主要結構包括控制柜、儲水箱、水泵安裝臺、傳感器、驅動電機和控制閥。驅動電機與試驗臺通過皮帶連接，進行水泵單體性能測試，并對每一個測試點數據穩定后讀取數據，對數據進行處理，保證數據測試結果的準確性。根據試驗測試數據與CFD仿真分析結果對比可知，兩組數據在各流量點下對應較好，數據具有足夠的精度，該測試數據可以應用于后續冷卻系統換熱分析中。

2? 散熱器性能測試及分析驗證

散熱器是由進水室、出水室和散熱器芯體組成，安裝在發動機前的車架橫梁上，其作用為將冷卻液在水套中吸收的熱量傳遞給外界環境，進而達到降低水溫、保證發動機正常工作的目的。散熱器因為承擔著系統主要散熱的作用，其性能數據的準確系統直接影響換熱分析結果的精度。散熱器主要的性能為換熱性能曲面、水側流動阻力和風側流動阻力。

2.1 散熱器單體試驗

散熱器單體試驗測試條件為：液氣溫差60℃，水流量分別為80L/min、100L/min和120L/min，風速分別為2m/s、4m/s、6m/s和8m/s，冷卻液為50%的乙二醇溶液。

搭建好單體性能臺架，對散熱器進行性能測試，得到具體測試結果如表1所示，表中主要參數為不同水流量下的散熱器水側阻力，不同風速邊界下的散熱器風側阻力和不同邊界下的散熱器換熱量數據。然后對測試的數據進行處理，得到該車型的散熱器換熱性能曲面、散熱器風側阻力、散熱器水側阻力。

2.2 散熱器CFD分析

這三組數據直接決定散熱器的性能，對冷卻系統仿真分析及發動機艙的CFD分析結果的準確性均有著重要的影響。所以為了驗證數據的準確性及進行模型的校核，搭建散熱器單體仿真分析模型，將試驗邊界數據輸入到分析模型中，進行散熱器單體性能的CFD分析，取風速8m/s、冷卻液流量120l/min、進水溫度為90℃、進風溫度為30℃的試驗工況。進行散熱器雙流模型的CFD分析，根據溫度場分布可知與實際溫度分布預期相似。

3? 結論

該工況下散熱器的換熱量數據如圖4所示，計算邊界下最終換熱量數據平衡到56800W，而試驗測試數據為56.2kW，仿真分析結果和試驗數據符合較好，說明結果具有足夠的精確度，可以進一步應用于汽車冷卻系統仿真分析及發動機艙CFD分析中。

參考文獻：

[1]李飛，施鵬飛，于劍澤.汽車發動機冷卻風扇對機艙熱管理影響的研究[J].汽車實用技術，2019（14）：95-98.

[2]王俊昌，王飛.汽車高低溫散熱器連接方式對散熱影響的研究[J].機械設計與制造，2019（03）：212-216.

[3]何星，周梓發，章凱，李廳.高原環境對車輛柴油機冷卻系統性能影響分析[J].內燃機與配件，2017（22）：28-31.

[4]劉佳鑫，王寶中，龍海洋，蔣炎坤.發動機冷卻系統性能評估方法及正向設計應用[J].車用發動機，2017（05）：6-10.