某乘用車機艙散熱性能仿真分析及改進措施

趙國灰，廖抒華，萬濤

1.廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西柳州 545006；2.東風柳州汽車有限公司乘用車技術中心，廣西柳州 545000

0 引言

當前各大車企的研發能力不斷提高，其對機艙熱管理的性能與技術要求也隨之提升。對于發動機冷卻系統的設計，必須滿足一定的散熱要求，使發動機機艙溫度保持在正常的工作溫度范圍，同時保證關鍵部件不受熱害影響。隨著計算流體動力學(CFD)的發展，運用CFD對發動機艙熱管理進行仿真分析，其成本低、周期短，在汽車行業與科研工作者中得到了廣泛應用。

國內許多科研人員對機艙散熱性已進行一定的研究。郭健忠等為解決發動機艙過熱問題，提出前移冷卻模塊和在格柵處增加導流板的優化方案，得到的仿真結果顯示，該方案有效降低機艙內整體溫度;王萍萍等為“前艙”回流和局部高溫這兩個問題提出4種解決方法：密封導流通道、冷卻模塊傾斜 5°、冷卻風扇中置及采用雙冷卻風扇，仿真結果得出，在進氣格柵與冷卻模塊之間增加密封導流通道，有效改善了原車發動機艙的散熱性能;謝暴等針對機艙冷卻模塊出現的缺流區，提出了在進氣格柵上邊緣增加橫向導流板、兩側加寬立柱寬度增加一倍的方案，該方案提升了流經散熱器與冷凝器 7.0%和 9.6% 的風量，優化了機艙散熱性能。對于目前的研究現狀，機艙散熱性提升有移動冷卻模塊、增加導流板、增加密封等多種方案，本文采用向上移動冷卻模塊的方案，增加散熱器進風量，并在結果分析中提出方便可行的最優改進措施。

本文以某SUV車型為研究對象，針對冷卻前端模塊向上移動20 mm，在三維分析軟件中建立三維整車熱管理模型，利用數值計算方法對怠速、低速爬坡、高速3個工況下發動機冷卻性能進行仿真分析，并在此基礎上對機艙內流場與受熱害影響的零部件，提出了優化改進方案，使冷卻性能滿足設計要求。

1 模型建立

1.1 三維模型

原始幾何模型的前處理對數值模擬來說非常關鍵，因其會直接影響到發動機艙內的流場分布、溫度場分布，甚至影響仿真精度。為了在保證精度的同時減少計算時間，對整車以及機艙內零部件進行幾何簡化處理，保留對機艙散熱性能影響較大的幾何特征。整車模型如圖1所示，冷卻模塊總成如圖2所示。

圖1 整車模型

圖2 冷卻模塊總成

1.2 數值模型分析

由于機艙內氣體流速較低，同時氣流密度在運動過程中基本不變，故可視為不可壓縮湍流流動，對發動機機艙求解的基本方程如下。

質量守恒方程：

(1)

式中：為流體密度；，，為在3個坐標軸上的速度矢量。

由牛頓第二運動定律，推出動量守恒方程：

(2)

式中：為流體密度；為平均速度；為時間；為方向上的速度矢量；為微元上的壓力；為流體黏度；為方向上的動量源項。

由能量守恒定律，推出能量守恒：

(3)

式中：為溫度；為流體導熱系數；為比熱容；為流體的黏性耗散項。

由于機艙內部零部件眾多、系統結構復雜，流進艙內的氣流易發生分離，從而形成湍流，遵循湍流運動方程。為了準確模擬進入機艙的流體分離與之形成的湍流，計算模型選用Realizable-模型。

2 模型邊界條件與參數設定

2.1 仿真條件

文中基于STAR-CCM+進行機艙流場與溫度場的仿真計算，由于仿真計算域的限制，故設置與實際情況相近的邊界條件，這對求解計算結果的準確性至關重要。仿真采用RANS方程，散熱器、中冷器應用多孔介質阻力模型，湍流模型選擇Realizable-模型，空間離散應用二階精度迎風差格式。機艙三維仿真的邊界條件見表1。

表1 機艙三維仿真的邊界條件

由熱邊界信息輸入發動機、排氣系統等發熱部件的溫度，溫度邊界條件見表2，環境溫度為43 ℃。

表2 溫度邊界條件 單位:℃

根據熱平衡試驗研究分析可知，怠速、低速爬坡、高速為汽車行駛典型工況。3種工況定義見表3。

表3 3種工況定義

2.2 參數設定

機艙內部的主要散熱部件有冷凝器、中冷器、散熱器，其邊界數值對后續仿真結果的精度至關重要。由上述機艙邊界條件可知，冷卻模塊由多孔介質阻力模型代替，多孔介質特性表征的重要參數由黏性損失項與慣性損失項兩部分組成。通過在試驗中測量冷卻模塊各零部件中氣流通過的流速與前后壓差的數值，并進行數據擬合，可得到其壓差與速度之間的關系式。當迎風面積=0.36 m、厚度=27 mm時，散熱器性能參數試驗數據見表4;當迎風面積=0.26 m、厚度=16 mm時，冷凝器性能參數試驗數據見表5;當迎風面積=0.09 m、厚度=64 mm時，中冷器迎面風速與外側風阻試驗數據見表6。

表4 散熱器性能參數試驗數據

表5 冷凝器性能參數試驗數據

表6 中冷器迎面風速與外側風阻試驗數據

前端冷卻模塊換熱器的布置形式如圖3所示。

圖3 前端冷卻模塊換熱器的布置形式

3 仿真結果分析

發動機機艙氣流的流暢性對機艙內部的散熱性能有著直接影響。對發動機機艙來講，通常采用增大冷卻模塊迎風面積、提高散熱效率，使機艙溫度快速降低，但冷卻模塊的迎風面積受限于格柵開口面積與前保險杠，故難以提高；同時艙內過多吸入冷卻空氣又會形成氣阻，不易散熱。因此，需要對發動機前艙氣流場優化提出合理的解決方案，從而提高機艙散熱效率。

3.1 機艙流場

對仿真結果發動艙內流場矢量進行分析，如圖4至圖6所示,可以看出在怠速及低速爬坡工況下，散熱器與橫梁下方之間間隙較大，部分氣流回流到散熱器之間形成小漩渦，會增加部分機艙內阻力；在怠速及低速爬坡工況下，散熱器與風扇之間間隙較大，部分氣流在風扇的吸力作用下從兩者之間的間隙中吹過，并未通過散熱器降低機艙內部散熱性能；在高速工況下，機艙內部氣流流動順暢，可順利排出機艙；對于怠速及低速爬坡工況下是否會對周圍部件形成熱害現象，需進一步對各個部件的溫度場進行分析。

圖4 怠速工況

圖5 低速爬坡工況

圖6 高速工況

3.2 部件溫度場分析

仿真分析發現在低速爬坡40 km/h、12%工況下，備胎外側鈑金件、蓄電池存在熱害風險。備胎表面許用溫度不大于110 ℃，由圖7的備胎外側鈑金件表面溫度分布可知，最高溫度為150.0 ℃。根據試驗分析，備胎表面的溫度會在130 ℃左右，則在此工況下存在熱害問題。

圖7 備胎外側鈑金件表面溫度分布

從分析云圖可知，備胎超溫的主要原因是后消聲器的輻射導致。針對備胎外側鈑金件表面超溫，主要有以下幾個優化方案：①在消聲器與鈑金之間增加隔熱層，降低輻射；②將后消聲器位置下移，增加與地板的距離，降低輻射；③在備胎上超溫位置貼玻璃纖維，降低輻射；④在備胎與外層鈑金之間加隔熱層。

由于后消聲器與底板之間的距離較小，再增加隔熱罩的方案不便實施。最優化方案為在備胎上超溫位置貼玻璃纖維、備胎與外層鈑金之間加隔熱層，以此降低對備胎的輻射。

蓄電池表面溫度分布如圖8所示，在低速爬坡40 km/h、12%工況下，蓄電池表面的最高溫度為87.3 ℃，但其表面許用溫度不大于80 ℃，且蓄電池的理想工作溫度為60～70 ℃，由溫度分布可知，蓄電池存在熱害風險。

圖8 蓄電池表面溫度分布

所研究的車型蓄電池安裝在發動機艙內，受機艙氣流影響。分析得知，蓄電池的超溫主要是由于前方的來流溫度超過80 ℃導致。優化方案：在蓄電池外面包裹泡棉。經驗證，泡棉的溫降通常在20 ℃左右(厚度大約4 mm)，則最高溫度低于安全限值，不存在熱害風險，且蓄電池在理想工作溫度范圍。

4 結論

本文基于冷卻系統上移20 mm的狀態下的冷卻模塊位置，通過在3種工況下對機艙內流場和溫度場進行分析，并根據可視化結果對機艙內流場和蓄電池、備胎外側鈑金件的表面溫度分布進行分析。

(1)通過對3種工況的仿真結果進行對比分析得知，散熱器與橫梁下方之間及散熱器與風扇之間存在間隙，在怠速及低速爬坡工況下存在回流，建議增加這些位置的氣密性；高速工況下基本沒有回流產生，流動合理。

(2)通過溫度場分析，對受熱害影響的蓄電池與備胎外側鈑金件提出了增加隔熱措施的優化建議。