汽車熱管理瞬態分析與應用

陳鴻明，武亞嬌，華益新，楊雪松

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

前言

目前國內較多整車熱管理仿真計算是針對穩態工況進行，采用的方法是依據穩態分析結果再加上一些工程經驗對整車熱性能做出整體判斷[1-2]，而對于某些較為復雜的瞬態工況(例如發動機怠速和熄火之后的過程)并不能進行合理的評估[3]，導致無法在開發前期準確預測該零件的耐熱特性是否滿足設計要求。零件承受的溫度和在該溫度下所經受的時間是制約零件使用壽命的兩個關鍵因素，所以整車熱分析不僅要計算出零件可能承受的溫度，同時也要準確推斷出在該溫度下能正常工作的時間，這樣才能準確計算出零件在整車上的使用壽命。本文中采用瞬態熱分析軟件RadTherm，對車輛在經歷惡劣工況后的熄火過程進行瞬態仿真計算，準確模擬出該過程受熱零件的溫度變化和持續時間，從而為零件的使用壽命評估提供依據。

1 瞬態工況計算方法

1.1 瞬態工況

本文中所描述的瞬態工況類似在山路上的爬坡過程，即以某一穩定速度爬過固定坡度的坡道，然后熄火停車。在此過程中，勻速爬坡行駛時，發動機前艙主要的傳熱方式為強迫對流換熱和輻射傳熱，冷卻風扇處于最高轉速狀態；當發動機熄火時，前艙空氣流動轉為自然對流換熱和輻射傳熱，冷卻風扇處于關閉狀態，此時，發動機前艙內排氣管溫度不會瞬間降低，而是有一個緩慢降溫的過程。在這個過程中其周圍零件受到來自排氣管的持續烘烤，而沒有強迫對流對其進行冷卻，零件溫度會在短時間內急劇升高，并持續一段時間之后才會下降。由于各零件與排氣管的距離和本身材料屬性的不同會導致各個零件的溫升數值和持續時間不同，RadTherm主要是對此溫升過程進行仿真計算，得到受熱零件的溫度變化曲線，從而根據零件的溫度要求來判斷該零件在溫升過程中是否能滿足設計要求。

圖1為某一前艙零件在進行整車熱性能試驗之后的溫度曲線。從圖中看出，該零件在爬坡過程中溫度沒有超過其材料自身溫度限值，但在熄火之后，溫度超過溫度限值并持續一段時間，零件這種超過耐溫限值的狀態稱為熱疲勞狀態，長時間處于這種狀態會導致零件失效，影響車輛行駛安全。因此采用RadTherm軟件在開發前期對可能遇到的惡劣工況進行仿真分析計算，確定零件耐溫特性是否滿足整車熱性能要求就顯得非常重要。

1.2 RadTherm計算理論[4]

RadTherm通過求解能量方程和熱輻射封閉方程得出控制方程。首先，RadTherm遵循熱力學第一定律，能量在轉化和傳遞過程中總和不變，有

(1)

式中：E為系統內能；Q為熱量。

將式(1)展開可得到

(2)

式中：m為節點質量；T為節點溫度；Cp為材料的等壓比熱容；Qconv、Qcond和Qrad分別為節點通過熱對流、熱傳導和熱輻射3種傳熱方式所吸收的熱量；Qimposed為節點所吸收的外部熱源(如太陽能或者電能)熱量。用傳熱學理論將Qconv和Qcond展開，可得k節點的瞬態能量方程為

Qradk+Qimpk

(3)

式中：hk為對流換熱系數；Ak為接受對流換熱和熱傳導的面積；Tf為周圍流體的來流溫度；kkj為材料的熱傳導系數；Akj為k節點與j節點之間的接觸面積；Lkj為k節點和j節點之間的距離。Qradk為輻射項，可從熱輻射的封閉方程獲得,假設物體為灰體，輻射方式為漫反射，參與輻射的物體表面為N，那么熱輻射的封閉方程為

(4)

式中：εj為j節點面的發射率；Fk-j為從k節點面到j節點面的角系數；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；Aj為節點面面積；δkj為克羅內克函數。由式(4)求解Qk：

(5)

Qk項為k節點面的輻射損失,和式(3)中的-Qradk相等。將式(3)中的Qradk用-Qk代替可得

(6)

式(5)和式(6)就是RadTherm軟件求解溫度分布的控制方程。

1.3 RadTherm計算瞬態工況[5]

本文中計算的瞬時工況從勻速爬坡開始，直到發動機熄火之后一段時間結束，計算過程見圖2。工況1是勻速爬坡的開始(t=0)；工況2是勻速爬坡經過30min運行結束(t=30min)，工況2′是熄火狀態的開始(t=30min+步長)，工況2和工況2′在實際狀態應該是同一點，但因計算中須設置邊界條件，故將二者之間用一個時間步長隔開；工況3是熄火的終止狀態(t=50min)，這4個工況車輛和冷卻風扇狀態見表1。

表1 不同工況的車輛行駛和風扇轉動狀態

這4個工況點均是以Fluent計算的穩態流動換熱系數和流體溫度作為RadTherm瞬態計算的邊界條件，在工況2′和工況3兩個時刻之間排氣管的溫度在緩慢下降，如果只導入工況2′和工況3的邊界，RadTherm只會對導入的穩態數據進行線性插值，得到的計算結果會與實際差別較大。本文中在這兩個工況點之間插入3個耦合計算的工況點，使排氣管溫度變化過程和零件周圍的邊界條件更加符合實際狀態。

2 模型建立

2.1 網格模型建立

基于某四缸缸內直噴發動機轎車建立數學模型，主要包括發動機前艙離排氣歧管較近的零件和車輛底盤排氣管附近的零件。模型的建立分為兩部分，一部分用于Fluent穩態計算，另外一部分用于RadTherm瞬態計算。具體模型見圖3。穩態計算模型大概包括120個零件，90萬三角形面網格單元；瞬態計算提取發動機前艙距離隔音棉較近的排氣管和隔音棉作為研究對象。

2.2 RadTherm計算邊界條件

計算邊界條件包括兩部分，一部分是通過Fluent計算得到穩態流動換熱結果作為邊界條件，其中穩態計算的邊界條件主要有排氣流量、溫度和環境溫度，另一部分為各個零件材料本身的參數設置。本文中主要研究瞬態計算，所以關于穩態計算的參數設置不予詳述。在這里要特別提出的是零件材料的反射率和吸收率的設定，反射率和吸收率不僅與材料本身有關，且與零件表面的氧化程度也有很大關系。所采用的各種材料反射率和吸收率均來自于公司內部材料數據庫，根據車輛的使用情況和零件的氧化程度選擇對應的反射率和吸收率。

穩態計算結束后，從Fluent軟件導出所需數據作為RadTherm瞬態計算的初始邊界條件，導出結果主要包含與各個零件表面相接觸的流體溫度和零件表面的熱交換系數等。零件的材料屬性需要重新設置，主要有熱傳導率、反射率、吸收率和材料厚度等。需要特別注意的是發動機排氣管和內部氣體的邊界設置，圖4給出內部氣體溫度和流量曲線。排氣流量在發動機熄火后降為零，但是排氣管表面和內部氣體的溫度并不會立刻冷卻下來，通過耦合計算得出排氣管表面和內部氣體溫度的緩慢降溫過程作為瞬態計算的最終邊界條件[6]。

3 瞬態工況分析結果

3.1 驗證仿真的可行性

通過RadTherm的瞬態計算與試驗數據進行比較，進而驗證仿真的準確性。圖5給出隔音棉上測點仿真和試驗結果的對比。由圖可見，仿真結果比試驗結果溫度要高，主要原因在于Fluent穩態計算給定的排氣溫度邊界條件比實際測量溫度高，導致仿真結果數值比試驗結果偏高。另外，從第30min開始(即熄火開始)，1點和3點仿真結果和試驗結果吻合較好，主要是由于當發動機熄火后，經過耦合計算后得出的排氣管溫度邊界準確度較高，使仿真結果更加接近試驗值。但是2點的仿真結果和試驗結果相差20℃，主要原因在于，2點附近有制動管和空調管等一些直徑較小的管路，在建模初期，未建立這些管路模型，導致仿真過程中此處附近對流換熱情況比實際情況好，所以仿真結果的溫升沒有試驗結果的高。

綜合比較RadTherm仿真結果和試驗數據之后，可以得到以下結論：一方面，如果能將發動機艙內的小零件也包含在計算模型中(主要是管路和線束)，那么熱管理仿真計算在車輛開發前期預測零件溫度的準確度就會提高，進而可以采取有效措施保護耐熱較差的區域，減少后期開發成本；另一方面，即使建立的數學模型并不是十分完善，也可以通過瞬態仿真的溫升趨勢，結合周圍其他零件的布置情況，推斷出零件受熱情況，在項目開發前期規避潛在風險。

3.2 RadTherm瞬態計算在車輛開發前期的應用

本文中對某轎車發動機艙前圍板隔音棉進行了瞬態仿真計算，隔音棉的作用在于減小從發動機艙傳遞到乘客艙的發動機振動噪聲，如果表面溫度過高將導致隔音棉老化，進而降低隔音效果，更嚴重的是導致隔音棉起火。

圖6為隔音棉在沒有隔熱鋁箔情況下的溫度分布。從圖6和圖5可以看出，隔音棉中間深色區域的溫度遠遠超過其溫度限值，在發動機熄火后的4min內達到峰值，整個過程中超過溫度限值的時間持續了9min，所以隔音棉過熱區域需要加設隔熱罩。圖7為隔熱罩的原始設計方案，該方案是根據工程經驗設計出來的。經過試驗驗證，原始設計方案已經能使隔音棉滿足熱性能要求，但還沒有達到最佳效果。圖8的隔熱罩根據瞬態計算結果得出改進方案，而圖9為隔熱罩改進后隔音棉的溫度分布圖。從圖中可以看出，改進方案能滿足設計要求，而且改進后的隔熱罩面積只有原先的40%，選用改進方案可以節省成本60%。總之，單純的穩態計算已經不能滿足整車開發需求，將瞬態計算加入到整車開發過程是很有必要的。

4 結論

(1) 在車輛開發前期，利用虛擬技術對靠近排氣系統附近的零件進行瞬態計算分析是可行和必要的，而且這種計算方法簡便、快捷，可以在項目開發前期的整車熱管理中得到廣泛應用。

(2) 利用瞬態分析手段，對隔音棉隔熱罩進行改進設計，通過比較改進前后的溫度場分布，最終選用改進方案，使零件成本降低60%。

(3) 仿真結果與試驗結果之間的誤差在5%～10%之間，主要與數模網格建立的完善程度有關，直徑10mm以上的管路應該體現在計算模型中，這樣才能保證真實的對流換熱和熱輻射環境，為瞬態計算提供準確的邊界條件，從而得到更為精確的計算結果。

[1] Alkidas A C, Battiston P A. Thermal Studies in the Exhaust System of a Diesel-Powered Light-Duty Vehicle[C]. SAE Paper 2004-01-0050.

[2] Tentner Adrian, Froehle Paul, Chunyi Wang. Modeling and Analysis of Transient Vehicle Underhood Thermo-Hydrodynamic Events Using Computational Fluid Dynamics and High Performance Computing[C]. SAE Paper 2004-01-1511.

[3] Yang Zhigang, Bozeman Jeffrey, Fred Z Shen. CFD for Flow Rate and Air Re-Circulationat Vehicle Idle Conditions[C]. SAE Paper 2004-01-0053.

[4] RadTherm Technical Manual v9[G].Thermo Analytics, Inc.,2009.

[5] Ernst Peter Weidmann, Thomas Binner, Heinrich Resiter Daimmler. Experimental and Numerical Investigations of Thermal Soak[C]. SAE Paper 2008-01-0396.

[6] Franchetta M, Bancroft T G. Fast Transient Simulation of VehicleUnderhood in Heat Soak[C]. SAE Paper 2006-01-1606.