基于某1.5tSUV排氣熱害分析

王心宇，耿勝民

（北京希艾益科技有限公司，北京 100076）

引言

采用仿真手段對排氣系統(tǒng)進(jìn)行熱害分析，分析周期短，得出的溫度分布可用于指導(dǎo)整車熱平衡、熱害試驗布點[1]，使用計算機仿真的成本遠(yuǎn)小于整車熱平衡試驗，但得出的結(jié)果可靠性不高，對操作者依賴性強，驗證實驗又是必不可少的。相對于整車熱害試驗高昂的試驗費用，仿真分析方法可以最大限度節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，樣車試制前進(jìn)行風(fēng)險點評估[2]。

1 模型介紹

三維CFD流體模型設(shè)置。處理整車數(shù)據(jù)包括機艙零部件，外CAS，底盤，動力系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)。模型中不包括：乘員艙內(nèi)部件。對排氣系統(tǒng)，線束，隔熱罩，吊耳，進(jìn)氣格柵進(jìn)行細(xì)化，保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)部分。體網(wǎng)格對發(fā)動機艙及下車體進(jìn)行體網(wǎng)格加密。風(fēng)洞計算域：車前13m車后44m，高6m，寬8m。最終弄生成面網(wǎng)格700萬，體網(wǎng)格1800萬。模型設(shè)置：風(fēng)洞入口設(shè)置為速度入口，出口為壓力出口，車兩側(cè)及上側(cè)設(shè)置為壁面，車底地面設(shè)置為壁面，為模擬冷卻模塊阻力，將冷凝器及散熱器單獨設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域；設(shè)置風(fēng)扇區(qū)域為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系區(qū)域，用于模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。為精確模擬車體下氣體流動狀態(tài)，將車體下地面設(shè)置為與風(fēng)速大小、方向相同的移動速度。物理模型：三維、穩(wěn)態(tài)、空氣設(shè)置為理想氣體。

輻射計算模型中包含面網(wǎng)格64萬，對排氣系統(tǒng)，線束，隔熱罩，吊耳，進(jìn)行細(xì)化保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)部分；模型設(shè)置：分別設(shè)置模型材料屬性，比如塑料零部件、橡膠零部件、鐵制零部件、鋁零部件的密度導(dǎo)熱率、材料厚度、比熱、輻射發(fā)射率等。邊界條件：對排氣系統(tǒng)賦予溫度值。

在熱平衡環(huán)境艙中進(jìn)行熱平衡試驗，環(huán)境溫度40℃。分為三個階段90km/h，高速預(yù)跑10min，40km/h，7%坡度，爬坡25min，怠速13min。對風(fēng)險點布置熱電偶，觀察過程中是否有零部件超過溫度限值而導(dǎo)致零部件失效。

圖1 體網(wǎng)格截面

圖2 排氣系統(tǒng)表面溫度

2 穩(wěn)態(tài)仿真分析結(jié)果

分別對怠速工況、高速工況、低速爬坡工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，輻射計算模型計算出零部件表面溫度，表面溫度作為三維CFD流體分析模型的邊界條件，三維CFD流體分析模型計算得出對流換熱系數(shù)及流體溫度，而對流化熱系數(shù)與流體溫度作為輻射計算模型的邊界條件，得出計算結(jié)果，如下，由于部分邊界條件輸入不合理，發(fā)動機及變速器未作為熱源邊界條件，以及部分測點位置偏差導(dǎo)致部分測點實驗值與仿真值偏差較大。

表1 各工況下仿真測點溫度

機艙內(nèi)零部件仿真值合理，由于機艙內(nèi)發(fā)動機變速器等未作為溫度邊界條件，導(dǎo)致發(fā)動機周邊零部件仿真溫度值偏低，測點位置偏差導(dǎo)致后消及底盤位置部分零部件測點溫度仿真值大于實驗值，后續(xù)繼續(xù)驗證。

怠速工況，實驗值與仿真值相差較大的測點位置：球籠防塵罩前，實驗值75℃仿真值63.6℃誤差18%；90km/h球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，誤差18%；主催化器吊耳司機側(cè)，實驗值62.4℃，仿真值82.4℃，誤差24%；主催化器吊耳副司機側(cè)，實驗值71.8℃，仿真值95.3℃，誤差25%；后消音器后吊耳，實驗值52.3，仿真值74.6，誤差30%；后消音器地板上，實驗值26.6℃，仿真值69.9℃，誤差56%；電瓶正極樁頭，實驗值42℃，仿真值62.9℃，誤差33%。以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導(dǎo)致。發(fā)電機表面，實驗值78.5℃，仿真值63.5℃，誤差24%；水箱上水管實驗值81.8℃，仿真值66.1℃，誤差24%。以上位置誤差較大，主要原因是，發(fā)動機及變速器未作為溫度邊界條件。

高速工況，實驗值與仿真值相差較大的測點位置：球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，誤差18%；后消音器地板上，實驗值26.3℃，仿真值56.7℃，誤差64%；以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導(dǎo)致。發(fā)電機表面，實驗值76.8℃，仿真值61.4℃，誤差20%；水箱下水管，實驗值75.6℃，仿真值60.7℃，誤差20%；水箱上水管，實驗值84 ℃，仿真值63.2 ℃ ，誤差24%。以上位置誤差較大，主要原因是，發(fā)動機及變速器未作為溫度邊界條件。

圖3 怠速工況

低速爬坡工況：后消音器后吊耳，實驗值79.7℃，仿真值117.7℃，誤差32%；后消音器前吊耳，實驗值89.4℃，仿真值115℃，誤差22%；后消音器地板上，實驗值27.2℃，仿真值73℃，誤差63%；以上位置，實驗值與仿真值相差較大，主要是測點位置偏差導(dǎo)致。發(fā)動機下懸置，實驗值76℃，仿真值98℃，誤差22%；發(fā)電機表面，實驗值91℃，仿真值80.6℃，誤差11%；水箱下水管，實驗值92℃，仿真值78.2℃，誤差15%；水箱上水管，實驗值99.8 ℃ ，仿真值84.6℃ ，誤差15%。以上位置誤差較大，主要是發(fā)動機及變速器，未作為溫度邊界條件。

怠速實驗值測點溫度及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖3上圖，溫差較大的位置：保險盒表面，實驗值50℃，仿真值64.8℃，仿真值高于實驗值14.8℃。電瓶正極樁頭，實驗值42℃，仿真值62.9℃，仿真值高于實驗值20.9℃。水箱上水管，實驗值81.8，仿真值66.1℃，仿真值低于實驗值15.7℃。主催化器吊耳司機側(cè)，實驗值62.4，仿真值82.4℃，仿真值高于實驗值20℃。主催化器吊耳副司機側(cè)，實驗值71.8，仿真值95.3℃，仿真值高于實驗值23.5℃。后消音器后吊耳，實驗值52.3℃，仿真值74.6℃，仿真值高于實驗值22.3℃。后消音器地板上，實驗值26.6℃，仿真值59.9℃，仿真值高于實驗值33.3℃。

圖4 高速工況

高速工況，實驗值及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖4上圖，溫差較大位置：球籠防塵罩上，實驗值68.9℃，仿真值83.8℃，仿真值高于實驗值14.9℃。發(fā)電機表面，實驗值76.8℃，仿真值61.4℃，仿真值低于實驗值15.4℃。水箱下水管，實驗值75.6℃，仿真值60.7℃，仿真值低于實驗值14.9。水箱上水管，實驗值84℃，仿真值63.2℃，仿真值低于實驗值20.8℃。后消音器地板上，實驗值26.3℃，仿真值56.7℃，仿真值高于實驗值30℃。

圖5 低速爬坡工況

低速爬坡工況，實驗值及仿真值測點溫度，做成柱狀圖如圖5上圖，溫差較大位置：球籠防塵罩上，實驗值124℃，仿真值144.8℃，仿真值高于實驗值20.5℃。球籠防塵罩后。實驗值100℃，仿真值118℃，仿真值高于實驗值18℃。發(fā)動機下懸置，實驗值76℃，仿真值98℃，仿真值高于實驗值22℃。水箱下水管，實驗值92℃，仿真值78.2℃，仿真值低于實驗值13.8℃。水箱上水管，實驗值99.8℃，仿真值84.6℃，仿真值低于實驗值15.2℃。主催化器吊耳副司機側(cè)實驗值124℃，仿真值147.7℃，仿真值高于實驗值23.7℃。后消音器后吊耳，實驗值79.7℃，仿真值117.7℃，仿真值高于實驗值38℃。后消音器前吊耳，實驗值89.4，仿真值115℃，仿真值高于仿真值25.6℃。后消音器地板上，實驗值27.2℃，仿真值73℃，仿真值高于實驗值45.8℃。

部分位置仿真值與實驗值相差較大，主要是測點偏差：部分位置實驗測點位置與仿真測點位置不對應(yīng)，如球籠防塵罩，主催化器吊耳等。發(fā)動機及變速器為添加溫度邊界條件，導(dǎo)致發(fā)動機周邊零部件溫度，仿真值低于實驗值。后消音器地板上位置的熱電偶存在誤差。

3 瞬態(tài)分析

材料受115℃輻射0.3hours與受100℃輻射1hours，材料熱損失相同[3]，低速爬坡工況至怠速工況的過渡階段，輻射溫度往往高于低速爬坡階段，瞬態(tài)分析可以模擬出低速爬坡至怠速過渡區(qū)域的輻射溫度以及在該輻射溫度下的時間。因此進(jìn)行瞬態(tài)分析是很有必要的。

基于穩(wěn)態(tài)分析：90km/h高速工況；40km/h、坡度7%低速爬坡工況；怠速工況，在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)分析[4]。將穩(wěn)態(tài)工況的對流換熱系數(shù)作為瞬態(tài)分析的邊界條件。進(jìn)行瞬態(tài)分析計算。瞬態(tài)分析工況如下：

表2 瞬態(tài)分析工況

首先高速預(yù)跑10min，低速爬坡25min，最后怠速13min。

圖6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向機橡膠在低速爬坡階段升溫速率仿真值＞實驗值，怠速階段仿真值低于實驗值。轉(zhuǎn)向機表面高速工況仿真值＞實驗值，低速爬坡階段仿真值升溫速率＞實驗值，低速爬坡之怠速過渡階段仿真值低于實驗值。

圖7 球籠防塵罩

球籠防塵罩前低速爬坡工況仿真值＞實驗值，怠速工況仿真值＞實驗值。球籠防塵罩上仿真值均高于實驗值。

圖8 球籠防塵罩、保險盒

球籠防塵罩后高速階段仿真值＜實驗值，高速階段至低速爬坡階段過渡區(qū)域仿真生溫度率＜實驗值，低速爬坡至怠速階段過渡區(qū)域仿真值＞實驗值。保險盒仿真值＜實驗值。

圖9 電池、預(yù)催地板

電池負(fù)極仿真值＞實驗值。催化器地板上仿真值＜實驗值。

圖10 主催化器吊耳

主催化器吊耳司機側(cè)低速爬坡階段仿真值＞實驗值，怠速階段仿真值＞實驗值。主催化器吊耳副司機側(cè)仿真值＜實驗值，高速工況至怠速工況過渡區(qū)域升溫速率仿真值＞實驗值。

圖11 后消音器吊耳

后消音器前吊耳高速階段仿真值＜實驗值，高速至低速爬坡過渡區(qū)域仿真值升溫速率＞實驗值，怠速階段仿真值〈實驗值。后消音器后吊耳仿真值＜實驗值。

瞬態(tài)分析結(jié)果基本吻合，溫度趨勢基本一致，但由于瞬態(tài)仿真影響因素較多，加之部分位置由于仿真測點位置與實驗測點位置偏差，發(fā)動機及變速器未給溫度邊界條件，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)差值較大。

4 結(jié)論

穩(wěn)態(tài)分析工況仿真分析結(jié)果與實驗值基本吻合，部分由于測點位置偏差以及發(fā)動機及變速器等未添加熱源邊界條件，誤差較大。

瞬態(tài)分析工況，基本滿足瞬態(tài)分析趨勢，部分測點能夠反應(yīng)出低速爬坡到怠速的高溫階段。由于瞬態(tài)影響因素較多，部分位置由于測點位置偏差，發(fā)動機未給溫度邊界條件，導(dǎo)致部分測點誤差較大。