基于一維-三維聯合仿真的冷卻系統匹配研究

王磊，晏強，文雪峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)

基于一維-三維聯合仿真的冷卻系統匹配研究

王磊，晏強，文雪峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)

由于一維軟件不能兼顧冷卻介質流動的均勻性等問題，往往給匹配帶來較大的誤差。本文采用一維-三維聯合仿真的方法對冷卻系統匹配進行了詳細分析，并進行兩工況的整車轉鼓熱平衡試驗驗證。分析結果表明仿真分析結果與試驗結果相吻合。采用此方法可以縮短了開發的時間，降低開發成本，提高設計的成功率，特別適用于新車型的開發。

冷卻系統；一維-三維聯合仿真；熱平衡試驗

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-31-04

1、簡介

傳統發動機冷卻系統的設計匹配由于試驗條件限制及設計周期影響往往是根據經驗公式及相似計算等設計物理樣機。通過多次改進、制作樣機進行試驗對比，是一種定性的匹配方法。這種方法開發周期比較漫長，試驗費用也較為昂貴。

目前，隨著技術的發展。冷卻系統匹配可通過一維軟件如預先計算分析。通過修改冷卻系統元件的相關參數，軟件基于流體傳熱學理論可實現對其性能的估算。但是，一維軟件不能兼顧冷卻介質流動的均勻性問題及與之帶來的外流場的阻力問題，往往給匹配帶來較大的誤差，使之不能更好地應用。三維計算流體軟件可以細致的考慮到冷卻介質的均勻性問題。因此，結合了一維和三維的計算工具，通過三維軟件對發動機機艙流場進行分析。將均勻性的數據并入一維軟件中進行聯合計算。便可以提高匹配的準確性。本文通過對某款車型冷卻系統的設計匹配并結合試驗驗證，說明了結合一維和三維軟件進行冷卻系統匹配的優越性。

2、仿真數據采集

2. 1 整車相關數據

2.1.1 運行工況參數（見表1）

表1 整車各工況運行參數

2.1.2 發動機機艙空氣動力學特性

發動機機艙空氣動力學特性不僅與整車空氣阻力相關，而且直接影響冷卻系統的性能。例如增大進氣格柵面積會提高進氣量，提升冷卻系統性能；其次較為順暢的機艙流道，其阻力一般較小，也可以提高氣流量，提升冷卻性能。一般情況下，機艙空氣動力學特性可通過汽車風洞試驗測得；但在新車型開發前期不具備實體模型的情況下也可通過三維CFD流場分析獲得。

通過三維軟件對發動機機艙的流場分析，得出了在整車兩工況下的機艙進口壓力損失系數、機艙流道阻力特性、換熱器的速度分布等（見表2發動機機艙CFD分析結果及圖3發動機機艙壓阻曲線），并將其作為一維軟件的輸入。這樣可使計算結果更符合實際效果。

表2 發動機機艙CFD分析結果

2.1.3 冷卻系統部件布置及參數

冷卻系統散熱器為縱流式結構；中冷器為橫流式結構；風扇采用環形9葉塑料風扇，曲軸直連；各部件參數見表3。

表3 冷卻系統部件參數

發動機為4缸增壓中冷式柴油發動機，技術參數見表4。

表4 發動機基本參數

2.2 發動機相關數據

根據GB/T1147.2 中小內燃機試驗方法在柴油機試驗臺架對發動機進行熱平衡試驗。試驗測得扭矩點和功率點中冷系統及水冷系統的散熱量、進口壓力、流量數據（如表5及表6所列）并將其輸入KULI軟件中的CF元件及CA元件。發動機對冷卻系統匹配也提出了相關的評價見表5及表6相關項。

表5 中冷系統參數及指標

表6 水冷系統參數及指標

2.3 零部件相關數據

根據QC/T 907-2013汽車散熱器散熱性能試驗方法對本冷卻系統散熱器進行單體性能試驗并將試驗結果輸入一維軟件中的Radiator元件，得到其性能如圖4所示。

根據QC/T 828-2010 汽車空-空中冷器技術條件對本冷卻系統中冷器進行單體性能試驗并將試驗結果輸入一維軟件中的CAC元件，得到其性能如圖5所示。

根據JB/T 6723.2-2008塑料冷卻風扇技術條件對本冷卻系統中冷器進行單體性能試驗并將試驗結果輸入一維軟件中的M Fan元件，得出其性能如圖6所示。

3、仿真分析及試驗驗證

根據車型冷卻系統的空間布置尺寸在一維軟件里建立分析模型（見圖7）。將發動機機艙CFD分析結論中的機艙進口壓力損失系數及機艙流道阻力特性結果并輸入CP value元件和Built-in resistance元件。將CFD分析的換熱器的速度分布矩陣加入Blocks元件模擬氣流均勻性問題。通過Air Resistance元件模擬空調散熱及壓降特性。

針對整車運行的兩工況點進行仿真計算，得出了散熱器進、出水溫度及內部壓降；中冷器的進、出氣溫度及內部壓降，以及風扇的靜壓、消耗功率、靜壓效率等，結果見表7。

為了驗證一維-三維聯合分析的準確性及適用性。結合前期的仿真模擬分析，按照國標GB/T12542-2009對試制樣車在轉鼓試驗室進行整車熱平衡試驗。試驗時在散熱器及中冷器上布置了溫度傳感器、壓力傳感器共計24個測點，使用多通道采集儀實時采集。試驗結果見表7。

表7 仿真模擬值與試驗值對比

4、對比評價

通過對比仿真分析的結果和整車熱平衡試驗的結果（見圖8及圖9）可發現在布點數據及相關指標值基本吻合，其中除環境溫度為不可控因素外，散熱器的進水溫度與出水溫度的仿真值在功率點扭矩點均高于試驗值1.6%和1.7%；中冷器進氣溫度與中冷器出氣溫度的仿真值在功率點扭矩點均低于試驗值3.2%和6.7%；散熱器內部阻力的仿真值在功率點和扭矩點均低于試驗值2.1%和1.9%；進氣溫升的仿真值在功率點和扭矩點均低于試驗值3.2℃和2.3℃。并且各項性能指標如冷卻常數、中冷散熱效率均滿足發動機冷卻系統匹配要求。

仿真和試驗的對比說明了運用一維三維聯合分析的方法對冷卻系統的兩工況的預測精確度接近試驗驗證結果，可以滿足工程設計的要求。

5、結論

通過一維-三維聯合分析方法快速對冷卻系統匹配進行計算，兼顧了具體車型冷卻介質流動的均勻性問題，可使結果更加精確。縮短了開發的時間，降低開發成本，提高設計的成功率，特別適用于新車型的開發。

由于試驗條件限制，本文只進行了兩工況點的驗證，并且冷卻能力有所富裕。后期可通過精確的系統模型，對發動機的外特性全工況點進行匹配分析驗證并對系統零部件進行改進優化。

[1]梁小波，袁俠義、谷正氣 等.運用一維／三維聯合仿真的汽車熱管理分析.汽車工程，2010,32[9].

[2]袁俠義，谷正氣，等．汽車發動機艙散熱的數值仿真分析[J]．汽車工程，2009，3l(9)．

[3]齊斌，倪計民，顧寧，仲韻．發動機熱管理系統試驗和仿真研究．車用發動機，2008，（4）．

The Study on Cooling System Matching by Appling joint 1D/3D Simulation

Wang Lei, Yan Qiang, Wen Xuefeng
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

As one-dimensional software cannot take account of the uniform issue of cooling medium flow, which bring biggish error for matching. This paper uses the method of 1D-3D joint simulation to match the cooling system and take vehicle drum heat balance test verification about two conditions of the engine. The analysis results show that the simulation results and the experimental results are consistent. Using this method can shorten the development time, reduce development costs, improve the design success rate, especially suitable for the development of new models.

cooling system; joint 1D/3D simulation; thermal balance test

U464

A

1671-7988(2015)04-31-04

王磊，就職于陜西重型汽車有限公司。