低速爬坡工況排氣熱害耦合分析

王心宇，耿勝民

（北京希艾益科技有限公司，北京 100076）

1 模型介紹

使用三維流體仿真分析軟件與輻射分析軟件中模型如下：

1.1 實(shí)驗(yàn)

基于某1.5T SUV低速爬坡工況，熱平衡試驗(yàn)在卡達(dá)克熱環(huán)境艙進(jìn)行，車速：40km/h，坡度：7%，環(huán)境溫度：40℃，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速：2400r/min。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)：將車固定在轉(zhuǎn)鼓工作臺(tái)上，固定前拖車鉤，對(duì)于前驅(qū)車輛固定后輪，前輪下的轉(zhuǎn)鼓用于添加阻力。車前風(fēng)機(jī)用于模擬風(fēng)速。采用K型熱電偶測(cè)量排氣系統(tǒng)溫度，K型熱電偶使用溫度：-200～1300℃，采用 T型熱電偶測(cè)量周邊零部件溫度，T型熱電偶使用溫度-200～350℃。

1.2 三維流體分析模型

利用三維流體分析模型計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，在三維流體分析軟件中建立風(fēng)洞計(jì)算域用于模擬卡達(dá)克熱環(huán)境艙，計(jì)算域模型長(zhǎng) 65m，寬 14m，高 6m。入口設(shè)置為速度入口，速度為40km/h，出口為壓力出口[1]，車底地面區(qū)域設(shè)置為移動(dòng)地面，移動(dòng)地面速度與車速大小相等且與車的運(yùn)動(dòng)方向相反[2]，用于模擬下車體流場(chǎng)。保留機(jī)艙線束，制動(dòng)管線，冷卻管路，并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，排氣系統(tǒng)及周邊零部件如：吊耳、隔熱罩等進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及排氣系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格加密處理，最終三維流體分析模型中體網(wǎng)格總數(shù)約為3400萬。風(fēng)扇單獨(dú)劃分區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，設(shè)置風(fēng)扇恒定轉(zhuǎn)速2400r/min，散熱器、冷凝器劃分單獨(dú)區(qū)域，由于冷卻模塊 CAD數(shù)據(jù)沒有翅片等詳細(xì)結(jié)構(gòu)，即使有數(shù)據(jù)處理起來也比較復(fù)雜，如果采用數(shù)據(jù)中的模型，偏差過大，所以模型中采用多孔介質(zhì)區(qū)域模擬冷卻模塊阻力特性[3]。為了更好的模擬氣體特性，空氣設(shè)置為理想氣體。

圖1 輻射分析模型

圖2 流體分析模型

圖3 熱環(huán)境倉

圖4 三維流體計(jì)算模型

1.3 熱輻射分析模型

使用某輻射軟件計(jì)算熱輻射、熱傳導(dǎo)，使用三維流體分析軟件計(jì)算對(duì)流換熱， 熱輻射計(jì)算模型與流體分析模型耦合9次后溫度差＜1℃，停止耦合計(jì)算。最終仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近，由于測(cè)點(diǎn)位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差，部分測(cè)點(diǎn)位置溫度差值較大。

圖5 輻射模型中排氣系統(tǒng)溫度

排氣系統(tǒng)布點(diǎn)時(shí)：催化器附近布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)密集一些，該處溫度變化較大。前消音器至后消音器位置可以減少布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，該處溫度變化較小。

表1 輻射模型中排氣系統(tǒng)溫度值

2 仿真分析結(jié)果

三維流體計(jì)算模型中計(jì)算對(duì)流化熱系數(shù)作為輻射計(jì)算模型的邊界條件，輻射模型中計(jì)算得出表面溫度作為三維流體計(jì)算模型的邊界條件[4]，輻射計(jì)算模型與流體計(jì)算模型耦合9次后溫度差值＜1℃，終止耦合計(jì)算，提取最終計(jì)算結(jié)果，后消音器后吊耳溫度云圖如下圖，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如下表：

表2 測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

由于輻射模型中未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等添加表面溫度，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零部件測(cè)點(diǎn)溫度仿真值低于實(shí)驗(yàn)值，在合理范圍內(nèi)，比如：水箱上水管、水箱下水管、發(fā)電機(jī)表面、發(fā)動(dòng)機(jī)下懸置、發(fā)動(dòng)機(jī)上蓋正上、噴油嘴線束2缸、點(diǎn)火線圈線束2缸等。

圖6 后消音器后吊耳表面溫度

下車體部分位置由于測(cè)點(diǎn)位置偏差，部分零部件位置，實(shí)驗(yàn)值與仿真值溫度相差較大，如：后消音器后位置仿真值與實(shí)驗(yàn)值相差較大。由于測(cè)點(diǎn)位置偏差，導(dǎo)致球籠防塵罩部分測(cè)點(diǎn)位置實(shí)驗(yàn)值與仿真值相差較大。

為了更清晰地看出仿真值與實(shí)驗(yàn)值的差異，將仿真值與實(shí)驗(yàn)值的溫度對(duì)比表格做成柱狀圖如下：

圖7 測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

表中前部分誤差較大位置主要是發(fā)動(dòng)機(jī)變速器等未添加溫度邊界，表后半部分誤差較大位置是由于仿真測(cè)點(diǎn)位置與實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置偏差，比如球籠防塵罩位置，以及后消音器附近，后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

圖8 測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差

3 結(jié)論

根據(jù)低速爬坡熱平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果對(duì)比得出：

使用流體計(jì)算模型與輻射計(jì)算模型耦合分析計(jì)算底盤熱害，仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近，由于測(cè)點(diǎn)位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差，部分測(cè)點(diǎn)位置溫度差值較大。比如球籠防塵罩、后消音器附近，后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證。

使用流體計(jì)算模型與輻射計(jì)算模型耦合分析可以用于底盤熱害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)測(cè)以及超溫零部件整改。