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某车型发动机舱热性能分析与改进
2020-07-31 22:34:11· 来源：汽车CFD技术之家
摘要：汽车热管理研究旨在保证汽车冷却系统安全高效运行，考察发动机舱内有无热害风险。本文应用三维CFD 和一维相结合的仿真技术研究全新开发车型的热性能。首先
摘要：汽车热管理研究旨在保证汽车冷却系统安全高效运行，考察发动机舱内有无热害风险。本文应用三维CFD 和一维相结合的仿真技术研究全新开发车型的热性能。首先建立此车型一维冷却系统匹配分析模型，结合环境舱EP 样车热平衡试验，验证各工况下此车型的热平衡性能；其次基于CFD 软件，建立此车型在相应热平衡工况下三维发动机舱温度场仿真分析模型；最后，完成试验与仿真的对标，并对热害风险进行温度场优化分析，提出了有效的应对措施。
前言：
轿车发动机舱散热性能的好坏直接影响汽车的使用寿命及经济性、可靠性和动力性[1]。发动机舱内的温度直接影响发动机的动力性和经济性，这决定了汽车热平衡与热管理的重要性[2]。汽车热平衡与热管理是从系统集成和整体角度，控制和优化汽车的热量传递过程，将各个部件冷却系统、预热与保温系统、气候控制系统（联合式暖风、空调系统和通风系统）等集成为一个有效的热管理系统，保证关键部件或系统的安全高效运行。
风洞试验是汽车空气动力学的传统有效的方法，给出了汽车内外流场的流动特性，为汽车初期设计提供科学依据。但是试验对于发动机舱热管理问题，难度大，费用高并且局限于车型开发后期，准确性虽高，但无法指导车型开发系统选型前期的设计工作。
随着计算流体力学模拟仿真技术的发展，使用CFD 一维冷却系统和三维温度场联合仿真分析，已经成为机舱热管理研究的主要手段。
随着计算流体力学模拟仿真技术的发展，使用CFD 一维冷却系统和三维温度场联合仿真分析，已经成为机舱热管理研究的主要手段。
1 一维冷却系统分析
1.1 研究车型基础状态
研究车型的冷却模块从前向后依次为冷凝器、副散热器、主散热器和风扇[3]。冷却系统循环分为2 条回路：①发动机带动的机械水泵为发动机主冷却系统的水循环提供动力源，发动机在大循环工况时，产生过多的热量被冷却液带走，分别进入暖风芯体和主散热器两条支流，流经主散热器的液体经冷却，进入水泵后流入发动机，流经暖风芯体的液体同样再次进入水泵流入发动机，如此保证主冷却系统可以循环工作（图1所示）。
②电子水泵为副冷却系统的水循环提供了动力源，冷却液经水泵后，分为两条支流，其一支流进入中冷器，带走增压后气体的热量，对增压后的气体进行冷却，另一支流进入增压器水套对增压器进行冷却，两支流最后汇合为一条支流进入副散热器进行散热，之后重新回到水泵入口处进行循环流动（如图2所示）。
1.2 模型建立
将各芯体进气量作为一维匹配分析模型的空气侧边界条件，进行水侧标定条件，因此需要首先进行三维CFD 流场分析。
1.2.1 三维CFD 流场分析模型建立
将整车CAD 数据进行几何处理，二维网格模型导入流体计算软件，建立流场分析模型。
冷凝器、副散热器、主散热器芯体作为多孔介质处理，根据各芯体的流阻性能试验数据，拟合粘性阻尼系数和惯性阻尼系数曲线，分别如下所示。
1.2.2 计算工况
结合热平衡试验，确定一维与三维仿真计算工况，如下所示。
1.2.3 三维机舱流场计算结果
计算得出各芯体的空气侧进风量如下所示。
1.2.4 一维冷却系统分析参数
本文采用一维仿真软件，通过发动机、散热芯体（散热器、冷凝器、暖风芯体）、风扇、水泵等零部件台架试验数据的输入，以及以上所述的三维CFD 仿真数据来搭建发动机冷却系统的模型。发动机主副冷却循环散热量、水冷机冷器(用管路模型代替)、中冷器(用管路模型代替)流阻、发动机水套流阻数据如下：
主副散热器换热性能Map及水侧流动阻力如下图（10-14）：
暖风芯体内流阻力与冷凝器芯体性能数据如下图（14-15）：
风扇性能参数如下图（16-17）：
1.2.5 一维冷却系统模型
基于整车空调及冷却系统原理图搭建一维水侧分析模型（图20-21），空气侧模型基于三维CFD流场仿真结果（图10）。
基于三维机舱流场分析结果，可以得出上下格栅后的压力损失值(如表1)，及Cp 值，高车速下，Cp 值分别为0.65、0.52，进气面积分别为0.0454m²、0.0291 m²。
1.2.6 一维冷却系统分析结果
分析结果表明，热平衡各工况下，该车型发动机出水温度均未超过极限水温，满足要求，如下表2。
2 温度场仿真分析
2.1 模型建立
机舱温度场分析的目的是避免机舱内部件出现过热烧坏的问题， 因此用于计算温度场的STAR-CCM+网格模型中部件选用原则是：①包含发热元件，即发动机和排气系统；②包含可能出现过热损坏问题的部件，即离发热元件较近，受热辐射影响较大的部件；③包含在结构上对发热元件的热辐射起到遮挡作用的部件，比如隔热罩等。本次仿真分析包含了流体域、固体域、多孔介质模型，对风扇的仿真也将其设为单独的流体域，设置风扇的转动行为。其中根据主要部件的材料、颜色等进一步细化componment，主流体域共形成了150 个boundaries。
2.1.1 网格模型
计算流场尺寸：宽度为5 倍车宽，高度为3 倍车高，长度为7 倍车长，流场边界地面应适当切除车轮高度，以模拟车轮受车重压力变形。
分区加密，特别是冷却模块及进气格栅的加密处理，提高计算精度。
采用trim 网格，各重要部件的边界层拉伸处理，共生成体网格2000 万。
2.1.2 物理模型
流体域物理模型：稳态计算，环境温度43℃，太阳辐射1000w/m²，理想气体模型，考虑重力，K-ω湍流模型,灰色辐射模型[4]。定义了5 个不同材料的固体域物理模型，分别为铝、钢、橡胶、毛毡、复合材料（钢夹石棉），属性如表2。
2.2 边界条件与求解设定
本文基于STAR-CCM+软件进行温度场的数值仿真计算。由于数值模拟是在有限区域内进行，因此在计算域的边界上需要设置与实际情况相符合的边界条件。仿真模拟计算域边界条件的设置如表4所示。
参考热平衡试验标准设定计算工况，如下表5：
对于发动机、变速箱、排气管等发热部件，设置为温度边界条件，如下表6 。
2.3 换热器的模拟
前段冷却模块包含冷凝器、副散热器、主散热器，每个换热器模拟采用单流体换热器模型，本文冷凝器的换热量设定为固定功率（如图15）。主副散热器根据一维热分析结果进行设置。
2.4 仿真结果
仿真分析发现蓄电池、离排气管较近的防火墙附近存在热害风险。蓄电池极限工作温度为90℃，图中显示45km/h 工况下，蓄电池表面温度高达105℃，如图23；防火墙极限工作温度为200℃，图24 中红色区域表面温度均超过200℃。
通常解决零部件热害问题，首先考虑添加隔热罩，经与项目组协商，可添加蓄电池包裹罩、防火墙隔热罩进行仿真优化与试验验证分析，其中仿真优化结果如下图（25-26）：
3 热平衡搭载温度场试验
3.1 试验目的与试验准备
本次在公司环境舱进行热平衡试验目的是评价热平衡状态下的冷却系统性能与发动机舱热负荷状态、温度场分析中存在的热害风险点，对前期的一维冷却系统分析与温度场仿真分析进行验证。本次试验使用K 型热电偶测量各温度测点，本文主要说明蓄电池添加包裹罩前后、中通道隔热罩添加前后的温度测点对比及散热器进水温度测点；通过安装在散热器迎风面的叶轮风速仪来测量冷
却风速。
3.2 试验结果与仿真结果对比
3.2.1 水温对比
热平衡水温试验结果如下图28，由热平衡试验各工况下的水温曲线可以看出，平衡时：工况1（140kph），发动机出水温度为101℃；工况2（怠速），发动机出水温度为93℃；工况3（45kph）,发动机出水温度为111℃；工况4（熄火浸置），发动机出水最高温度为102℃；工况5（120kph），发
动机出水温度为107℃～111℃之间波动。
将发动机出水温度试验与仿真结果进行对比，如表7。
3.2.2 热害点对比
在未添加蓄电池包裹罩、中通过隔热罩前首先验证了2 处的温度值，试验结果（图29）显示，蓄电池表面温度最高达100℃，防火墙最高温度达200℃，并且试验后防火墙出现烤焦现象（图30），存在严重热害风险，这与仿真结果一致。
添加蓄电池包裹罩、中通道隔热罩前后试验与仿真结果对比如下表8。
仿真是理想状态下的数值计算，换热器的生锈及产生污垢等[5]均未考虑，而环境舱空间较小且密闭，同样环境条件下，环境舱相对道路试验[6]、风洞试验更加恶劣，仿真与试验存在误差是不可避免的，以上仿真与试验的结果显示，通过仿真可以提前发现产品热性能问题是可行的，而且可以缩短项目开发周期。
4 结论
本文主要研究了某车型的热性能，通过对一维冷却系统分析及三维温度场仿真分析，形成了比较完整的热管理体系，主要结论如下:
(1) 对此车型冷却系统进行一维仿真分析，得出各工况下发动机水温均满足工作要求。
(2) 利用CFD 数值求解方法，对此车型进行了机舱温度场仿真分析，发现存在两处热害风险，通过添加隔热罩的方法，消除了热害风险。
(3)结合公司热平衡试验规范，对此车型进行热平衡搭载温度场试验，通过对比仿真与试验结果，验证了仿真的可靠性。
作者：丁乐芳，张丹 ，赵涛，郑勇
北汽福田汽车股份有限公司
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