基于田口方法的催化器熱害仿真分析

唐海國，毛磊，張光亞，彭婧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車發動機艙空間較小，艙內溫度較高，其各個系統元件均處于高溫環境中，容易引起元件損壞或失效[1]。在某1.5T車型的樣車試驗中發現，風扇的電動機表面溫度過高（試驗中測溫值超過建議的工作溫度90 ℃），影響電動機的工作壽命，存在一定的熱害風險。經檢查發現，風扇電動機與前置催化器之間的間距較小，而且電動機外殼所在的風扇框架與催化器外殼的最近距離僅為35 mm左右，布置十分緊湊，熱害風險較高。

本文采用基于CFD仿真分析[2]的方法研究了前置高溫排氣熱源對風扇部件的影響，并采取試驗設計的統計分析方法——田口方法[3]，判明各可控因子的影響特性，找出最佳方案組合。綜合改制成本和周期等因素，對熱害部件進行優化設計。

1 計算模型

1.1 建立三維仿真模型

由于整車的三維仿真模型龐大復雜，對局部熱害部件的優化評估時，為方便快速評估方案效果，這里僅選擇該熱害區域內的部件進行仿真，包括催化器隔熱罩、渦輪增壓器及其隔熱罩、風扇框架等部件，如圖1所示。

利用三維CFD仿真軟件STAR-CCM+對該模型進行三維仿真。考慮到發動機艙內的流場情況復雜多變，局部的三維仿真難以提供合適的邊界條件，且仿真的考察重點為熱輻射防護，故仿真模型以熱輻射的仿真為主，不作格柵來流空氣的流場分析。根據CAD模型劃分的多面體體網格數量共計約92萬，熱輻射模型使用了漫射灰體輻射模型。根據實車布置情況及試驗測得的參數，渦輪的隔熱罩材質為鍍鋅鋼板，催化器的材質為鋁板，熱源部件的1.風扇框架 2.渦輪隔熱罩 3.催化器隔熱罩（其內部為催化器本體） 4.風扇電動機隔熱罩 5.渦輪冷端 6.渦輪熱端溫度邊界條件如表1所示。

圖1 仿真部件

輻射模型采用基于封閉理論[4]的Surface to Surface輻射模型，即每個表面上的凈輻射通量都為表面屬性和施加在該表面上的熱邊界條件的函數，將以平衡輻射對其進行計算。再通過考慮每個表面及它如何與所有其他表面進行輻射交換，可對整個封閉的表面組強制應用輻射平衡。

兩個單元表面之間的輻射交換，如由dS1發射并由dS2吸收的總輻射量功率P計算公式為

表1 溫度邊界條件

式中：i1為離開表面1的總強度，其中強度定義為“每單位立體角、與通道方向成法向的每單位投影面積及每單位時間通過區域的輻射能量”；β為表面法向和連接兩個表面的線之間的角；L為距離。

對于兩個有限尺寸的表面（S1、S2），兩者之間的輻射熱交換的角系數（如由S2接受的功率占S1發射的總輻射功率的比值為F1-2）則可表示為：

或

在STAR-CCM+中，邊界表面離散為稱作“塊”的更小單元。這些塊是連續邊界網格單元格面的集合，并且會為每個塊對計算角系數。根據定義，塊不會跨邊界，因此其最多大至整個邊界，或者小至邊界網格單元面。每個塊的表面上的發射功率（即輻射強度）和輻射屬性假定為均勻。

結合試驗中的電動機熱害位置，在仿真模型的風扇電動機表面取點作為熱害溫度測點，仿真結果將以該點的溫度表現情況作為評價標準。

1.2 影響熱害的控制因子設定

圖2 測點位置示意圖

根據公式（1），熱害點表面接收的熱輻射功率與距離成反比。因此可設置熱害點與熱源的距離a為影響因子A，如圖1所示。

考慮到熱害部位與熱源部件之間有隔熱罩，但需要進一步評估隔熱罩的厚度與間距對熱害點溫度的影響，因此設置熱害點隔熱板厚度b為影響因子B，該隔熱板離風扇框架表面的間距c為影響因子C，如圖3所示。

圖3 熱害點與其隔熱板的布置示意圖

圖4 催化器及其隔熱罩的橫截面示意圖

同理，對于熱源點，設置相應的熱源隔熱罩厚度d為影響因子D，熱源件（以催化器本體為主）與隔熱罩的間距e為影響因子E。

催化器及其隔熱罩的截面示意圖如圖4所示，外層為隔熱罩，內層為催化器本體，內外層的間距為e，隔熱罩自身厚度為d。

2 仿真優化方案設計

2.1 確定可控因子和水平

本文以降低熱害測點的溫度作為優化目標，因此系統特性為望小特性問題。根據1.2節篩選出的5個影響熱害點溫度的可控因子，結合仿真分析和工程經驗，每個因子設定2個水平，如表2所示。

表2 可控因子和水平表

2.2 方案設計及結果分析

根據表2中可控因子和水平，運用田口方法使用L8正交列表確定8種方案組合，相對于全因子試驗組合25=32次試驗，試驗次數減少75%。運用三維仿真模型對表3中的8種組合方案進行仿真，并求出8種組合方案的信噪比和熱害測點溫度值，如表3所示。

表3 試驗設計方案組合表及仿真結果

根據表中組合方案的結果，繪制圖5熱害點測溫響應分析圖和圖6信噪比響應分析圖。由響應分析圖可看出，可控因子A和可控因子C是影響熱害點溫度值的顯著因素，同時也是對穩健性影響最大的因子，從數據來看，兩者影響效果相當。可控因子B、E對熱害點溫度影響其次，為調整因素。可控因子D對測點結果幾乎沒有影響，為次要因素。因此A2/B1/C2/D1/E1為初步最佳組合，但由于工程上變動A時需要重新規劃機艙結構，成本較大。綜合考慮樣件改制成本和周期等因素，決定選擇A2/B1/C1/D1/E1和A1/B1/C2/D1/E1兩種方案組合進行對比仿真分析和綜合評估。

圖5 發動機出水溫度響應分析

圖6 信噪比S/N響應分析

表4為以上兩種方案組合的一維仿真結果對比表，其中方案9為A2/B1/C1/D1/E1組合，方案10為A1/B1/C2/D1/E1組合。兩種方案的仿真結果對比差異不大，但優化熱源與熱害部件的間距A涉及到更改整車機艙的布局設計，變更成本及周期均較高，故不考慮方案9。

表4 優化方案組合及仿真結果對比表

方案10僅需變動風扇電動機的隔熱板間距，即A1/B1/C2/D1/E1方案組合，如表5所示。與原始方案相比，該方案僅需優化隔熱板的間距，改動周期和成本均滿足工程要求，確定為最終的改制方案。

表5 最終改制方案與原始方案對比表

2.3 試驗驗證

表6 樣車實測結果

如表6所示，經過樣件制作、調整隔熱片間距后，電動機表面溫度下降至88.9 ℃，下降幅度達3.5%，滿足溫度限值要求，證實了該方案的有效可行性。

CFD仿真值與試驗值在數值上并不完全匹配，但降溫趨勢是一致的。這是由于整車的試驗是復雜、非穩態的，而仿真中只模擬了熱輻射，沒有將機艙內的復雜流場和其它部件的熱輻射影響考慮進去。但仿真結果產生的數據支撐，為實車提供了優化方向，最終方案也能在實車上得到驗證。

3 結論

1）通過對前排氣周邊零部件進行熱仿真分析，綜合考慮改制成本及時間因素，得到增大熱害點與其隔熱罩的間距后，熱害點表面溫度降低，并通過試驗驗證了設計的合理性；2）基于田口方法的三維熱害仿真分析，能以較少的試驗組合找出各可控因子影響特性，大幅減少正交仿真次數，預測最佳化的趨勢，為系統設計提供高效和可靠的低成本改制方案。