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(fā)動(dòng)機(jī)艙空間較小，艙內(nèi)溫度較高，其各個(gè)系統(tǒng)元件均處于高溫環(huán)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)表面溫度過高（試驗(yàn)中測(cè)溫值超過建議的工作溫度90 ℃），影響電動(dòng)機(jī)的工作壽命，存在一定的熱害風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)與前置催化器之間的間距較小，而且電動(dòng)機(jī)外殼所在的風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)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(duì)風(fēng)扇部件的影響，并采取試驗(yàn)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)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(duì)熱害部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 計(jì)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(fù)雜，對(duì)局部熱害部件的優(yōu)化評(píng)估時(shí)，為方便快速評(píng)估方案效果，這里僅選擇該熱害區(qū)域內(nèi)的部件進(jìn)行仿真，包括催化器隔熱罩、渦輪增壓器及其隔熱罩、風(fēng)扇框架等部件，如圖1所示。

利用三維CFD仿真軟件STAR-CCM+對(duì)該模型進(jìn)行三維仿真。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場(chǎng)情況復(fù)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(diǎn)為熱輻射防護(hù)，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(chǎng)分析。根據(jù)CAD模型劃分的多面體體網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)約92萬，熱輻射模型使用了漫射灰體輻射模型。根據(jù)實(shí)車布置情況及試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)，渦輪的隔熱罩材質(zhì)為鍍鋅鋼板，催化器的材質(zhì)為鋁板，熱源部件的1.風(fēng)扇框架 2.渦輪隔熱罩 3.催化器隔熱罩（其內(nèi)部為催化器本體） 4.風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)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(gè)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(shù)，將以平衡輻射對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。再通過考慮每個(gè)表面及它如何與所有其他表面進(jìn)行輻射交換，可對(duì)整個(gè)封閉的表面組強(qiáng)制應(yīng)用輻射平衡。

兩個(gè)單元表面之間的輻射交換，如由dS1發(fā)射并由dS2吸收的總輻射量功率P計(jì)算公式為

表1 溫度邊界條件

式中：i1為離開表面1的總強(qiáng)度，其中強(qiáng)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(shí)間通過區(qū)域的輻射能量”；β為表面法向和連接兩個(gè)表面的線之間的角；L為距離。

對(duì)于兩個(gè)有限尺寸的表面（S1、S2），兩者之間的輻射熱交換的角系數(shù)（如由S2接受的功率占S1發(fā)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(xù)邊界網(wǎng)格單元格面的集合，并且會(huì)為每個(gè)塊對(duì)計(jì)算角系數(shù)。根據(jù)定義，塊不會(huì)跨邊界，因此其最多大至整個(gè)邊界，或者小至邊界網(wǎng)格單元面。每個(gè)塊的表面上的發(fā)射功率（即輻射強(qiáng)度）和輻射屬性假定為均勻。

結(jié)合試驗(yàn)中的電動(dòng)機(jī)熱害位置，在仿真模型的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)表面取點(diǎn)作為熱害溫度測(cè)點(diǎn)，仿真結(jié)果將以該點(diǎn)的溫度表現(xiàn)情況作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 影響熱害的控制因子設(shè)定

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

根據(jù)公式（1），熱害點(diǎn)表面接收的熱輻射功率與距離成反比。因此可設(shè)置熱害點(diǎn)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(jìn)一步評(píng)估隔熱罩的厚度與間距對(duì)熱害點(diǎn)溫度的影響，因此設(shè)置熱害點(diǎn)隔熱板厚度b為影響因子B，該隔熱板離風(fēng)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(diǎn)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(duì)于熱源點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)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(nèi)層為催化器本體，內(nèi)外層的間距為e，隔熱罩自身厚度為d。

2 仿真優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 確定可控因子和水平

本文以降低熱害測(cè)點(diǎn)的溫度作為優(yōu)化目標(biāo)，因此系統(tǒng)特性為望小特性問題。根據(jù)1.2節(jié)篩選出的5個(gè)影響熱害點(diǎn)溫度的可控因子，結(jié)合仿真分析和工程經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)因子設(shè)定2個(gè)水平，如表2所示。

表2 可控因子和水平表

2.2 方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

根據(jù)表2中可控因子和水平，運(yùn)用田口方法使用L8正交列表確定8種方案組合，相對(duì)于全因子試驗(yàn)組合25=32次試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)減少75%。運(yùn)用三維仿真模型對(duì)表3中的8種組合方案進(jìn)行仿真，并求出8種組合方案的信噪比和熱害測(cè)點(diǎn)溫度值，如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案組合表及仿真結(jié)果

根據(jù)表中組合方案的結(jié)果，繪制圖5熱害點(diǎn)測(cè)溫響應(yīng)分析圖和圖6信噪比響應(yīng)分析圖。由響應(yīng)分析圖可看出，可控因子A和可控因子C是影響熱害點(diǎn)溫度值的顯著因素，同時(shí)也是對(duì)穩(wěn)健性影響最大的因子，從數(shù)據(jù)來看，兩者影響效果相當(dāng)。可控因子B、E對(duì)熱害點(diǎn)溫度影響其次，為調(diào)整因素。可控因子D對(duì)測(cè)點(diǎn)結(jié)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(dòng)A時(shí)需要重新規(guī)劃?rùn)C(jī)艙結(jié)構(gòu)，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(jìn)行對(duì)比仿真分析和綜合評(píng)估。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度響應(yīng)分析

圖6 信噪比S/N響應(yīng)分析

表4為以上兩種方案組合的一維仿真結(jié)果對(duì)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(jié)果對(duì)比差異不大，但優(yōu)化熱源與熱害部件的間距A涉及到更改整車機(jī)艙的布局設(shè)計(jì)，變更成本及周期均較高，故不考慮方案9。

表4 優(yōu)化方案組合及仿真結(jié)果對(duì)比表

方案10僅需變動(dòng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)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(yōu)化隔熱板的間距，改動(dòng)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(duì)比表

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

表6 樣車實(shí)測(cè)結(jié)果

如表6所示，經(jīng)過樣件制作、調(diào)整隔熱片間距后，電動(dòng)機(jī)表面溫度下降至88.9 ℃，下降幅度達(dá)3.5%，滿足溫度限值要求，證實(shí)了該方案的有效可行性。

CFD仿真值與試驗(yàn)值在數(shù)值上并不完全匹配，但降溫趨勢(shì)是一致的。這是由于整車的試驗(yàn)是復(fù)雜、非穩(wěn)態(tài)的，而仿真中只模擬了熱輻射，沒有將機(jī)艙內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)和其它部件的熱輻射影響考慮進(jìn)去。但仿真結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)支撐，為實(shí)車提供了優(yōu)化方向，最終方案也能在實(shí)車上得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)前排氣周邊零部件進(jìn)行熱仿真分析，綜合考慮改制成本及時(shí)間因素，得到增大熱害點(diǎn)與其隔熱罩的間距后，熱害點(diǎn)表面溫度降低，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(yàn)組合找出各可控因子影響特性，大幅減少正交仿真次數(shù)，預(yù)測(cè)最佳化的趨勢(shì)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供高效和可靠的低成本改制方案。