基于CFD和整車試驗一維熱管理模型標(biāo)定的對比

王博張曼華

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心；2.長春市廣播電視安全播出調(diào)度中心）

基于CFD和整車試驗一維熱管理模型標(biāo)定的對比

王博1張曼華2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心；2.長春市廣播電視安全播出調(diào)度中心）

為了標(biāo)定基于一維熱管理仿真軟件KULI搭建起的發(fā)動機(jī)冷卻模型，分別使用了基于CFD分析結(jié)果耦合KULI軟件標(biāo)定一維模型以及利用實車試驗結(jié)果耦合KULI標(biāo)定一維模型兩種方法。比較兩種方法的標(biāo)定過程、結(jié)果精度和優(yōu)缺點(diǎn)得出，現(xiàn)階段基于CFD分析結(jié)果耦合KULI軟件進(jìn)行一維模型標(biāo)定可能會與實際結(jié)果有一定誤差，需要結(jié)合經(jīng)驗值進(jìn)行一定程度的修訂。

1 前言

一維整車熱管理軟件KULI隸屬于Magna Interna?tional（麥格納國際）汽車集團(tuán)旗下，是一款系統(tǒng)級的熱平衡匹配軟件。由于該軟件操作簡單易懂、計算精度高，現(xiàn)在眾多國內(nèi)主機(jī)廠都在逐步推廣該軟件在整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用。

本文對比分析了基于三維發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場CFD仿真分析耦合一維熱管理軟件KULI進(jìn)行標(biāo)定與基于整車試驗耦合KULI軟件進(jìn)行標(biāo)定兩種開發(fā)方法，研究了在實車開發(fā)過程中如何利用這兩種開發(fā)方法去標(biāo)定一維仿真模型，從而提高仿真分析的準(zhǔn)確度。

2 一維分析理論基礎(chǔ)

入口壓降模型在KULI中使用CP部件表示，其有絕對方法、相對方法和總壓力方法3種表達(dá)方式，表達(dá)式分別如下。

絕對表示方法：

相對表示方法：

總壓力表示方法：

式中，cp為空氣流道特性值；Δp為壓力差；ρ為空氣密度；v∞為無窮遠(yuǎn)處的風(fēng)速；vi為格柵進(jìn)風(fēng)速度。

本次仿真使用第1類絕對方法表示，從公式中可以看出CP值其實是車速產(chǎn)生風(fēng)的動壓轉(zhuǎn)換為靜壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以將其理解為車速產(chǎn)生風(fēng)進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的利用率。而且動壓與靜壓之間的轉(zhuǎn)換只跟無窮遠(yuǎn)處的風(fēng)速有關(guān)，與格柵處風(fēng)速無關(guān)。

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的壓力損失可以在KULI中通過定義Built-In-Resistance（BIR）值來表示，BIR值在軟件中有多種定義方式，本次仿真過程BIR值通過橫坐標(biāo)為流量、縱坐標(biāo)為壓力損失的二次曲線的常數(shù)項來定義，二次曲線常數(shù)項系數(shù)值等于，其中ζ可以用以下公式表示：

式中，ζ為阻力系數(shù)。

通過比較公式（1）和公式（4）可以看出，BIR值的定義公式與CP值的定義公式相同，只是BIR部件在KULI中只有產(chǎn)生阻力的作用，并沒有CP部件進(jìn)風(fēng)的功能。在實際意義上，BIR值相當(dāng)于外部空氣泄漏、空氣流通面積變化等產(chǎn)生的全部壓力損失。

3 基于CFD耦合KULI標(biāo)定開發(fā)

為了在整車開發(fā)的前期階段預(yù)測該車型的冷卻散熱能力，引入了基于CFD耦合KULI進(jìn)行標(biāo)定開發(fā)的方法，該方法的開發(fā)流程如圖1所示。

首先，利用零部件的臺架數(shù)據(jù)建立起KULI的初步模型。細(xì)節(jié)內(nèi)容包括通過發(fā)動機(jī)臺架試驗來獲得發(fā)動機(jī)水流量、循環(huán)內(nèi)部壓力及發(fā)動機(jī)散熱量MAP圖等數(shù)據(jù)；通過在散熱器試驗風(fēng)洞上做本車所搭載散熱器、中冷器和冷凝器的性能試驗，獲取搭建一維模型所需的內(nèi)阻、外阻和散熱能力等數(shù)據(jù)；通過利用在CATIA整車數(shù)模中測量前端模塊各個風(fēng)側(cè)換熱部件的整車坐標(biāo)，確定其在KULI模型中的相對坐標(biāo)位置。

完成上述步驟之后就可以在KULI中搭建一個包含發(fā)動機(jī)冷卻液、渦輪增壓器信息及各換熱器部件的初步模型。

其次，進(jìn)行整車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場的三維CFD仿真分析，以獲取整車前格柵處CP值和通過散熱器的風(fēng)速分布信息，并檢查發(fā)動機(jī)艙內(nèi)有無回流、擾流、渦流等不利于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣流通的現(xiàn)象發(fā)生。在計算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+中定義仿真邊界條件如圖2所示，在入口處設(shè)置風(fēng)速為60 km/h，在出口處設(shè)置壓力為101 325 Pa。

通過在格柵前部和散熱器后端面設(shè)置檢測面，得到前格柵處CP=0.7，并獲取了通過散熱器的風(fēng)速分布信息如圖3所示。

通過獲取發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣流通信息（圖4），檢查發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣流通有無渦流等不正常的狀態(tài)發(fā)生。通過觀察得知，本車密封性很好，格柵進(jìn)風(fēng)利用效率較高，因此可以認(rèn)為空氣在本車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流通狀態(tài)良好。

基于CFD耦合KULI風(fēng)速分布結(jié)果如圖5所示，KU?LI同時生成通過散熱器的質(zhì)量流量為1.17 kg/s。

CP值可直接輸入進(jìn)軟件中，但BIR值通過設(shè)定在KULI中通過散熱器的質(zhì)量流量1.17 kg/s為目標(biāo)值求解。求解的KULI冷卻液側(cè)模型和空氣側(cè)模型分別如圖6、圖7所示。

計算后得到BIR值為54，相應(yīng)的在低速爬坡工況下（環(huán)境溫度40℃，車速60 km/h，10%坡度）的本車發(fā)動機(jī)出水溫度為95℃。

4 基于整車試驗耦合KULI標(biāo)定開發(fā)

為了完善KULI模型的標(biāo)定，開發(fā)了利用試驗結(jié)果標(biāo)定一維KULI模型的方法。本方法原理主要是以整車試驗得到的發(fā)動機(jī)出水溫度為目標(biāo)，反向求解BIR值，完成一維KULI模型的標(biāo)定。以發(fā)動機(jī)出水溫度為目標(biāo)的原因主要有兩點(diǎn)：一是發(fā)動機(jī)出水溫度在實車上是一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，影響冷卻風(fēng)扇、發(fā)動機(jī)扭矩及空調(diào)的控制策略；二是在實車試驗時，溫度傳感器的精確度和穩(wěn)定程度要好于壓力傳感器或速度傳感器，因此可信度高。

基于整車熱環(huán)境風(fēng)洞，利用實車做了兩個工況下的整車散熱試驗：工況1的環(huán)境溫度40℃，車速60 km/h，坡度10%；工況2的環(huán)境溫度40℃，車速110 km/h，坡度6%。在這兩個工況條件下發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)大循環(huán)會完全開啟且電子風(fēng)扇達(dá)到高速轉(zhuǎn)，可以減少稍后仿真求解過程中的誤差因素。具體的發(fā)動機(jī)出水溫度試驗結(jié)果為工況1時101.5℃，工況2時100℃。因此，需要選擇一個最優(yōu)的BIR值，使KULI模型能夠滿足以上兩個工況下的發(fā)動機(jī)出水溫度值與試驗值吻合。

因此，搭建基于發(fā)動機(jī)出水溫度為目標(biāo)的求解模型如圖8所示。

在圖8的模型中，在KULI中的3D MAP模塊輸入兩次試驗分別采集的實車發(fā)動機(jī)水流量和散熱量給‘CF’水循環(huán)作為循環(huán)邊界；輸入兩次試驗采集的中冷器進(jìn)口溫度給‘CA’增壓空氣循環(huán)作為循環(huán)邊界。以兩次試驗的發(fā)動機(jī)出水溫度（工況1時101.5℃和工況2時100℃）為求解目標(biāo)，設(shè)置BIR值的優(yōu)化范圍區(qū)間為0～500，通過KULI自帶的優(yōu)化模塊，利用二分法原理求解BIR值，使兩個仿真工況的發(fā)動機(jī)出水溫度結(jié)果與試驗結(jié)果一致。詳細(xì)的BIR優(yōu)化過程和兩個仿真工況下出水溫度的平衡過程見圖9、圖10所示，經(jīng)過約80余次迭代計算后，工況1的出水溫度穩(wěn)定在101.5℃，工況2的出水溫度穩(wěn)定在100℃左右，最后求解出BIR=373。

綜上可知，由于求解目標(biāo)就是實車的發(fā)動機(jī)出水溫度，所以在這些工況下的仿真結(jié)果跟實際值保持一致。

5 兩種標(biāo)定方法的分析及應(yīng)用

回顧以上兩種標(biāo)定方法發(fā)現(xiàn)求解出的BIR結(jié)果有一定偏差，分析原因如下。

基于CFD耦合KULI標(biāo)定開發(fā)的風(fēng)側(cè)流量值與實際對比誤差在10%左右。誤差產(chǎn)生的原因可能有：CFD計算時會舍棄一些車輛幾何特征，對結(jié)果準(zhǔn)確程度有一定影響；CFD進(jìn)行的是冷流場仿真，基于冷流場的CFD風(fēng)速分布信息去標(biāo)定KULI中帶熱源系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部阻力，存在一定的不確定性。所以，基于此方法可能導(dǎo)致最終分析出來的誤差不能控制。

基于整車試驗耦合KULI標(biāo)定方法也存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)勢主要有以下兩點(diǎn)：標(biāo)定出的模型準(zhǔn)確可靠，仿真出的發(fā)動機(jī)出水溫度結(jié)果精度高，可以為工程分析提供可靠支持；分析中的發(fā)動機(jī)過程參數(shù)以及最終標(biāo)定好的CP和BIR值可以為后續(xù)相同動力總成車型提供參考。但此種方法的缺點(diǎn)也很明顯，如不能在整車概念階段或造型階段就參與進(jìn)仿真過程，必須等待有相關(guān)實車才能進(jìn)行標(biāo)定；整車試驗的成本昂貴，需要的試驗人員較多，而且周期較長。

這兩種標(biāo)定方法的仿真計算周期和對于計算機(jī)的硬件配置要求也有所不同。基于CFD耦合KULI標(biāo)定仿真目前對于計算機(jī)配置要求較高，一般要求內(nèi)存達(dá)到64G或以上才會滿足需求，且需要專業(yè)級顯卡支持圖形的處理。而基于整車試驗耦合KULI標(biāo)定仿真只需要普通計算機(jī)配置便可，內(nèi)存一般達(dá)到2G便可進(jìn)行計算。另外，進(jìn)行一輪完整的CFD發(fā)動機(jī)艙流場解析耗時一般在7～15天左右，而基于整車試驗耦合KULI標(biāo)定方法解析在1天內(nèi)就可完成全部工作。

因此，需要結(jié)合整車實際開發(fā)過程合理分配這兩種方法在熱管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的使用。因為CFD分析工具只需要相關(guān)數(shù)模便可進(jìn)行分析，因此在整車開發(fā)的造型階段，可以利用CFD分析工具對整車的前部格柵壓力分布進(jìn)行分析，驗證車前部正迎風(fēng)面最大壓力分布區(qū)域是否為格柵開口位置，如圖11所示，可以看到前部最大壓力位置處在保險杠位置，這并不是利用風(fēng)速最理想的狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)將格柵位置向下移動，保證最大進(jìn)風(fēng)量。因此，目前CFD分析工具在定性問題上的分析還是比較值得借鑒的。

此時還可以通過CFD分析讀取格柵處的CP值輸入KULI中充當(dāng)前部進(jìn)風(fēng)部件。但是通過之前對兩種方法對比得知，不適宜使用CFD讀取出來的風(fēng)速分布信息來倒推BIR值，因可能導(dǎo)致誤差偏大；可以先用之前相同動力總成、定位相似的車型利用試驗推出來的BIR值作為本車分析的依據(jù)，等有了相關(guān)裸車或驗證車之后，再作相關(guān)試驗以進(jìn)一步優(yōu)化BIR值，從而提高一維KU?LI軟件的仿真精度。

1 王博.長城汽車KULI應(yīng)用現(xiàn)狀介紹.廈門：2014年KULI中國用戶年會論文，2014.

2 郭全寶,等.基于KULI的某車型冷卻性能優(yōu)設(shè)計.汽車工程師,2014（10）：32～34.

3 張薇薇,等.KULI軟件在重卡冷卻系統(tǒng)上的應(yīng)用.第九屆中國CAE工程分析技術(shù)年會專輯，2013.

4 ECS-Magna Steyr Engineering Center;KULI 9.0 tutorial, 2010.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年7月1日。

Contrast of One-dimension Thermal Management Model Calibration based on CFD and Vehicle Test

Wang Bo1,Zhang Manhua2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technical Center of Hebei; 2.Chang chun Radio&Television Safe Broadcasting Control Center）

For the purpose of calibrating an engine cooling system model which is built based on one-dimensional thermal management software KULI,we use two methods,namely CFD based analysis result coupled with KULI to calibrate one-dimensional model and use vehicle test result coupled with KULI to calibrate one-dimensional model.We compare the calibration process,precision of results as well as advantage and disadvantage of these two methods and conclude that at present,the one-dimensional calibration method based on CFD analysis results coupled with KULI may have some deviation compared with real test result,therefore it needs be revised based on experimental value.

Engine thermal management，KULI，Vehicle test，CFD，Calibration

發(fā)動機(jī)熱管理 KULI整車試驗 CFD 標(biāo)定

U464

A

1000-3703（2015）10-0015-04