基于數學模型的整車冷卻系統散熱性能仿真與試驗

湯名權

摘要：為達到降低發動機艙溫度，保證發動機正常運行及整車安全行駛的目的，運用AMESim軟件建立整車發動機冷卻系統數學模型，設定相關參數，對其散熱性能進行仿真試驗與分析。根據仿真試驗結果，得到冷卻系統在常見工況下的溫度變化特性，繪制發動機進口與散熱器出口位置冷卻液溫度變化曲線、散熱器進出口位置冷卻液溫度變化曲線以及散熱器進出口位置冷卻液溫度溫差變化曲線。研究結果可以為今后關于整車冷卻系統的試驗研究提供理論依據。

關鍵詞：數學模型;冷卻系統;發動機;散熱器;散熱性能

中圖分類號：TK423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0024-03

0? 引言

在汽車產業迅猛發展的背景下，詳細研究與分析整車各系統性能，最小化故障率，盡可能地滿足客戶需求，對各整車企業而言均十分重要。發動機是汽車的動力源，其性能的好壞會對汽車可靠性與安全性產生直接的影響。在汽車發動機艙內部，有線束、塑料管、橡膠管等非金屬件，艙內溫度太高會導致高溫失效，影響整車安全行駛。而為了保證汽車獲取最佳動力，汽車發動機必須有效散熱，這對發動機艙冷卻系統的散熱性能提出嚴格的要求。

1? 整車發動機艙冷卻系統

冷卻系統是汽車發動機艙內的關鍵部分，會在很大程度上影響發動機性能，主要包括散熱器水冷系統、冷凝器空調系統與冷卻風扇等。

1.1 水冷系統（閉式強制循環水冷系統）

水冷系統內部循環通過水泵施壓，使冷卻液在系統中循環流動。所謂強制冷卻，即在水泵轉動過程中將冷卻介質壓力增強，促使冷卻介質流動，以此保證發動機在適宜溫度下運行，不對其正常工作產生影響。在從發動機外部向水套中流動的過程中，冷卻介質對熱量進行吸收，向散熱器傳遞。系統大循環與小循環如圖1所示。其中，大循環流動指在水泵帶動作用下，冷卻介質由發動機水套向節溫器流動，之后進入散熱器，在散熱器中同格柵處流入的冷卻氣流換熱，降溫后返回水套;當發動機散熱量不是很大，冷卻介質從發動機水套流出，溫度比節溫器特性參數低時，節溫器不會開啟，此時冷卻介質會直接向水套流動，此即小循環。

1.2 空調系統

汽車空調系統由冷凝器、壓縮機、膨脹閥、干燥器以及蒸發器等構成，其中，冷凝器發揮著必不可少的作用。空調系統工作循環如圖2所示。從壓縮機出來后，制冷劑會變為高溫高壓氣體，在冷凝器作用下，該氣體會與環境冷空氣交換熱量，變為低溫高壓液體，而經干燥器除濕緩沖，壓力與流量會趨于平穩，向膨脹閥流動，之后變為低溫低壓液體向蒸發器流動，同車內熱風交換熱量，降低車內平均溫度，以低溫低壓蒸汽的形式向壓縮機流動，如此循環。

1.3 冷卻風扇

風扇為發動機艙內的空氣流動提供動力，以機械驅動式與電機驅動式風扇應用最為廣泛，前者通過V帶等同發動機連接起來，轉動速度正相關于發動機的轉動速度，風量調控靈活性并不高;后者可對風扇的轉動速度進行自行調控，風量可控性比較高。

目前汽車發動機主要采用水冷系統，文章亦以此為重點展開研究。

2? 數學模型構建

2.1 CFD模型

在構建CFD模型之前，先作以下假設：①不考慮艙內的輻射換熱;②空氣定性溫度為周圍環境的溫度。

不考慮細小部件的影響，利用AMESim軟件構建汽車發動機艙模型，簡化艙內結構，然后劃分模型網格，局部加密處理艙內流場區域。考慮到艙內結構復雜，空氣流動存在很多邊界層分離、渦流等情況，此處采用可實現k-e兩方程模型對發動機艙內的空氣流場進行模擬。將來流空氣溫度作為定性溫度對空氣物性參數進行定義。散熱器采用多孔介質模型，進行熱流密度邊界的設置。

2.2 GT-COOL模型

GT-COOL模型對冷卻系統的運行進行模擬，基于守恒與能量傳輸原理，計算系統各部件的散熱。圖3所示為模型簡化結構圖。冷卻水套帶走發動機散失余熱，通過散熱器向發動機艙空氣環境散失。

除散熱器會向空氣環境散熱，冷卻系統管道與其他部件表面也通過對流換熱向發動機艙散熱。計算如下：

（1）

式中各字母表示含義為：

Tw——部件表面溫度;hm——平均對流換熱系數;Tm——空氣主流溫度。

散熱器冷卻液側換熱準則關聯式為：

（2）

散熱器空氣液側換熱準則關聯式為：

（3）

式中各字母表示含義為：

Rel，Reg——雷諾準則數;Prl——普朗特準則數。

在上述工作完成后，還要耦合一維與三維模型，經迭代計算確定熱流場與發動機艙散熱性能，保證實際散熱的準確性。

3? 試驗與仿真

3.1 仿真工況設定

試驗設置工況外部氣溫為-10℃，觀察此環境條件下發動機冷卻系統的散熱特性。另外，將發動機轉速設為2500r/min，車速為中高速，行駛路面為平路（坡度為0），仿真時長為200s。表1所示為仿真工況的相關參數（此工況是汽車在實際運行過程中較常出現的一種工況）。

3.2 冷卻系統仿真分析

經過仿真試驗與相關計算，得到在外部氣溫為-10℃的環境工況條件下，發動機出口部位的溫度以及散熱器進口部位的溫度，兩者的變化曲線如圖4所示。根據圖4仿真圖，在汽車整車的起步環節，發動機出口部位的溫度會隨著時間的推移而慢慢上升，剛開始，發動機的冷卻系統會以小循環模式工作，此時并未將節溫器開啟，而當時間大約到達15s之時，發動機冷卻系統開始由小循環工作狀態變為大循環工作狀態，此時，將散熱器啟動，發動機出口位置的溫度曲線會出現相應的改變，究其原因，在于發動機在由小循環改變為大循環工作狀態之時，節溫器的開啟程度會不斷變大并最終趨于平穩，而節溫器達到平穩狀態，發動機也會達到穩定運行的溫度，大約為95℃。另外，圖4所示散熱器在15s（亦即發動機冷卻系統進入大循環工作狀態后）溫度才開始上升，這一過程中，散熱器本身的溫度為外部氣溫-10℃，在發動機冷卻液流入散熱器之后，散熱器內部氣體會與冷卻液交換熱量，這會將散熱器溫度升高，當發動機達到穩定運行狀態，散熱器溫度會同發動機的出口溫度保持在相同水平。

觀察發動機出口位置與散熱器進口位置溫度的變化，與實際發動機運行過程中發動機的溫度改變情況是相符的，這對所建立的數學模型的準確性進行了驗證。

進一步，經仿真分析與計算，在散熱器開始工作之后，其進出口位置處的溫度變化情況如圖5所示。散熱器進口部位的溫度比較高，在外部冷環境的冷卻作用之下，出口處的溫度會出現相應幅度的降低，這是散熱器同外部低溫環境條件進行熱量交換所得來的結果，在此環節，散熱器進出口位置處的溫度均經歷了一個溫度上升并逐漸趨于穩態運行的過程。

另外，散熱器進出口位置處的溫度差也會發生相應的變化，圖6所示為其具體的變化情況。圖6中的溫度差改變體現了散熱器本身所具有的冷卻能力，在初始階段，散熱器進出口位置的溫度差變化曲線存在一定的波動，原因在于節溫器的開啟程度在不斷的變化，且其變化是不均勻的，致使散熱器進出口位置處的溫度差在初始環節也有一定的不穩定性存在。待AMESim仿真過程逐漸趨于穩定之后，降溫情況（亦即散熱器進出口位置處的溫度差）變為恒定值，大約維持在20℃的水平上。

4? 結語

利用AMESim軟件進行發動機艙冷卻系統數學模型的構建，按照實際情況設置模型參數，并完成了冷卻系統外部氣溫、外部環境氣壓等運行工況的設定。經仿真試驗，得到汽車整車發動機冷卻系統在指定工況下溫度的變化特性，確定發動機進口與散熱器出口位置處冷卻液溫度變化、散熱器進出口位置處冷卻液的溫度變化以及散熱器進出口位置處冷卻液溫度的溫差變化，這些溫度特性分析結果可以作為汽車整車發動機冷卻系統瞬態熱分析的溫度邊界輸入條件，為冷卻系統熱疲勞分析奠定理論研究基礎，同時，借助所搭建的數學模型進行其他工況上的仿真試驗，進一步得到冷卻系統的其他相關特性，提高開發效率，提供一定的參考依據于冷卻系統結構改性以及試驗研究預判等工作的開展。

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