某車型機艙熱管理仿真分析及優化

肖 能，王小碧，史建鵬

（東風汽車公司技術中心，武漢 430070）

某車型機艙熱管理仿真分析及優化

肖 能，王小碧，史建鵬

（東風汽車公司技術中心，武漢 430070）

本文采用CFD仿真分析方法對汽車發動機艙內流場和溫場進行仿真分析，考慮熱對流與熱輻射的影響，并與試驗結果進行對比，誤差控制在10%以內，滿足發動機艙熱管理工程設計的需求；并在此基礎上提出冷卻模塊中置與偏置兩種改進方案，通過對比選出效果較好的偏置方案進行下一輪優化仿真分析；在第二輪偏置方案的基礎上進行優化改進后，機艙內部流場得到改善，各零部件溫度達到了設計目標的要求。

熱管理；CFD；發動機艙；優化

1 引言

隨著汽車工業技術水平的發展，現代汽車機艙內部結構布局越來越緊湊，從而對發動機艙的散熱性能提出了更高的要求。車前格柵開口位置與進氣面積、冷卻模塊性能、發動機艙類各零部件的相對位置等因素，都影響著機艙內部的散熱性能，因此必須采取有效地措施來進行汽車發動機艙熱管理的分析與設計。

事實證明，CFD仿真分析方法是低成本、高效率進行汽車設計開發的一種有效手段。采用CFD仿真分析方法進行汽車發動機艙熱管理仿真分析，能夠直觀地得到機艙內部流場和溫度分布情況，從而快速找到問題，合理優化內部流場，避免發動機艙內部形成流動死區和局部溫度過高，從而可以有效減少研發周期，節約試驗成本。

本文采用Star-CCM+軟件對某自主品牌轎車的發動機艙熱管理問題進行了仿真分析，先將仿真分析結果與初期設計車型機艙熱管理試驗結果進行對比分析，然后在此基礎上對不同進氣格柵、不同冷卻模塊位置的仿真分析結果進行了對比分析，然后選出機艙內布局比較合理的方案進行下一步優化設計。

2 計算模型與邊界條件

2.1 幾何模型與網格劃分

汽車發動機艙熱管理分析的模型包括車身外部、發動機艙內鈑金件、進氣格柵、冷卻模塊、發動機、變速箱、蓄電池，進排氣系統、ECU、轉向機等影響前艙空氣流動的主要部件，在Star-CCM+中進行包面處理，同時兼顧計算精度和計算機硬件，調整網格疏密度，在機艙內部重要的位置進行網格細化，最終生成的機艙內部網格如圖1所示。

2.2 邊界條件

本次計算60 km/h爬坡工況，同時考慮熱對流和熱輻射兩種傳熱方式。數值風洞入口根據試驗工況設定速度入口和環境溫度，出口設定壓力出口和環境溫度；冷凝器和散熱器采用多孔介質模型來模擬，其慣性阻力系數和粘性阻力系數通過試驗數據擬合而來，同時冷凝器及散熱器換熱量設定為固定值；風扇采用MRF算法；機艙內熱源表面由試驗測量結果設定為溫度邊界；其他零部件表面設定為絕熱邊界條件，并設置材料的輻射參數。

3 原方案仿真結果與試驗對比

原方案仿真工況與試驗工況相對應，分析了爬坡工況，分別對流場和溫場仿真結果進行了分析，指出需要進行優化改進的位置，并將溫場結果的試驗測點結果進行對比。

3.1 原方案流場仿真結果

圖2所示為爬坡工況時的機艙截面速度矢量圖，從圖2（a）中可以看出流過散熱器的熱風經風扇作用后從空濾側面大量吹過，同時受熱輻射的影響，容易造成空濾溫度過高，影響發動機動力性能。從圖2（b）中可以看出風扇和發動機本體距離過近，造成進氣歧管對氣流阻礙作用較大。

3.2 原方案溫場仿真結果與試驗對比

原方案機艙內溫場仿真結果如圖3所示，從圖中可以看出，空濾大部分都處于高溫區域，會造成發動機進氣溫度過高，影響動力性能。同時，蓄電池也處于局部高溫區，加上其自身散熱，容易造成蓄電池溫度過高。

圖4所示為爬坡工況下測點溫度試驗值與仿真值的對比，從圖中可以看出，發動機艙內部主用零部件溫度與試驗測點溫度相比誤差整體控制在10%一下，滿足發動機艙熱管理設計的需求。發動機艙熱管理CFD仿真幾何結構復雜，計算結果精度與網格數量息息相關，由于計算資源有限，本次計算網格數量控制在千萬以下，若在此基礎上細化機艙內部重要區域網格，計算誤差還會進一步降低。

4 改進方案仿真結果對比

4.1 改進方案

針對機艙熱管理仿真中出現的問題，提出優化改進方案。經過以上分析已經知道，冷卻模塊與發動機本體之間距離過近，因此新方案中將冷卻模塊前移一定距離，如圖5所示，前保險杠與格柵也相應移動，為了兼顧外觀需求，同時修改了格柵外形，新格柵進氣面積有所減少。原方案中冷卻模塊處于偏置狀態，改進方案中將采取冷卻模塊中置與偏置兩種情況，如圖6所示，在兩種中選出最優方案繼續進行優化改進。另外，空濾、蓄電池、ECU位置等也有所調整。

4.2 改進方案結果對比

4.2.1 冷卻系統進氣量對比

由于新方案與原方案相比，格柵進氣面積有所減少，因此機艙內進氣量會相應降低，必將對機艙內溫度場的分布帶來較大的影響。改進方案與原方案進氣量對比結果如表1所示。從表中可看出，兩種新方案冷卻系統進風量相差不大，但都低于原方案。

表1 冷卻系統進氣量對比

經過分析可知，由于格柵進氣面積的降低，對進氣量帶來一定的影響。另一方面，新方案中冷卻模塊導流板張開角度偏小，不能完全覆蓋格柵進氣，從而未能起到有效導流作用。

4.2.2 流場對比

新方案中冷卻模塊中置速度矢量圖如圖7所示，冷卻模塊偏置速度矢量圖如圖8所示。從圖中可以看出，兩種方案和原方案相比，由于冷卻模塊與發動機之間的距離有所增大，進氣歧管對氣流的阻礙作用有所減小，其中偏置方案效果更加明顯；另外，經過散熱器后的高溫氣流對空濾的影響也大大減少，避免了對發動機進氣量的影響，提高動力性能。但兩新方案與原方案相比，圖中所示位置氣流發生了泄漏，導致發動機艙進氣量的減少，說明冷卻模塊的導流板還需要進一步優化。

4.2.3 溫度對比

兩新方案機艙內溫度場仿真結果如圖9、10所示，與原方案溫度場對比可以發現，由于兩新方案機艙進氣量有所降低，導致新方案機艙內部溫度整體偏高。

兩新方案仿真各部件最大溫度結果對比如圖11所示。從圖中可以看出，兩個新方案ECU、電機、選換擋軟軸仿真溫度結果相差不大；冷卻模塊中置方案中，轉向機最大溫度比偏置方案中低，而蓄電池最大溫度比偏置方案中高。

5 優化分析

通過以上改進方案對比分析可知，冷卻模塊偏置方案進氣量與中置方案相差不大，但偏置方案中僅有一側導流板，優化空間更大；另外，從發動機艙內流線圖中可以看出，偏置方案中發動機周圍氣流分布更加合理，因此進一步優化改進方案選擇冷卻模塊中置方案進行。

5.1 模型優化

由第二輪冷卻模塊偏置方案分析結果顯示，在格柵與導流板改動的影響下，發動機艙進氣量降低，由于外觀限制，格柵無法再做變動，因此將優化導流板以提高機艙進氣量，如圖12所示。另外，在第二輪冷卻模塊偏置方案分析中，蓄電池與轉向機溫度明顯偏高，需要降低其溫度以滿足許用溫度的要求，因此在上一輪蓄電池與轉向機溫度過高處添加隔熱罩，如圖13、圖14所示。

5.2 冷卻系統進氣量對比

第三輪優化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案機艙進氣量結果對比如表2所示，從表中可以看出，經過導流板的優化改進，第三輪進氣量比第二輪中偏置方案有所提高。

表2 冷卻系統進氣量對比kg/s

5.3 溫度對比

第三輪優化后機艙內溫度場仿真結果如圖15所示，與原方案和第二輪方案對比可以看出，經過優化后，機艙進氣量的提高顯著降低了機艙內部的整體溫度，尤其是機艙左側空濾和蓄電池所處區域溫度得到了明顯的改善。

第三輪優化方案與第二輪中冷卻模塊偏置方案中機艙內零部件最大溫度對比結果如圖16所示。從圖中可以看出，經過優化改進后，在隔熱罩的導流與隔熱作用下，轉向機與蓄電池溫度明顯降低，效果顯著。另外，ECU與軟軸溫度略有降低，電機溫度變化不大。由此可見，在機艙熱管理分析中，采用CFD仿真方法進行仿真設計能夠起到顯著的作用。

6 結論

經過以上分析對比研究可以看出：

（1）發動機艙熱管理分析考慮熱對流與熱輻射影響時，原方案仿真分析結果與試驗結果誤差控制在10%以內，能夠滿足汽車發動機艙熱管理工程設計的需要；

（2）格柵進氣面積與冷卻模塊導流板對機艙進氣量影響明顯；

（3）冷卻模塊與發動機本體之間的距離對發動機周圍氣流分布影響明顯；

（4）采用CFD仿真分析方法，能夠有效優化發動機艙內氣流分布，改進機艙內溫場分布，防止零部件溫度過高。

[1]陶文栓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[2]陶文栓.傳熱學[M].西安:西安工業大學出版社,2006.

[3]王若平,汽車空調[M].北京:機械工業出版社,2007.6.

[4] John D.Anderson.Computational Fluid Dynamics (吳頌平譯).北京:機械工業出版社,2007.6.

[5] Edinilson Alves Costa.CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks[J], 2003-01-3557.

專家推薦

史建鵬：

本文采用CFD仿真分析方法對汽車發動機艙內流場和溫場進行仿真分析，通過試驗驗證，誤差控制在10%以內；并用此方法計算不同優化方案的效果，找出敏感的影響因素。該文對車輛發動機艙熱管理問題進行了仔細研究，具有很好的參考價值，建議收錄。

Simulation Analysis and Optimization of a Vehicle Thermal Management

XIAONeng,W ANG X iao-bi,S HI J ian-peng
(Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China)

This paper analyses the flow field and temperature field in a vehicle underhood based on CFD method, condersing the effect of convection and radiation, then compares the results with the experiment and the error is less than 10% which is suitable for the engineering design requirements of underhood thermal management; based on this, two improved schemes of the mid and bias cooling module are put forward, then contrasted and chosen the better bias scheme for the next simulation analysis; after optimization based on the bias scheme in the second round, the flow field in the underhood is improved and the component temperature meets the design requirements.

thermalmanagement;CFD;underhood;optimization

U462

A

1005-2550（2014）05-0056-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.012

2014-09-01