商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理一維/三維聯(lián)合仿真與試驗(yàn)

郭健忠　羅仁宏　王之豐　胡　溧　吳　勇

1.武漢科技大學(xué),武漢,430081　　2.浙江吉利汽車研究院有限公司,寧波,315336

商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理一維/三維聯(lián)合仿真與試驗(yàn)

郭健忠1羅仁宏1王之豐2胡溧1吳勇1

1.武漢科技大學(xué),武漢,4300812.浙江吉利汽車研究院有限公司,寧波,315336

摘要：為解決某商用車在額定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度偏高的問題，分別利用三維、一維和一維/三維聯(lián)合仿真工具，對樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場特性以及冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究。通過一維/三維聯(lián)合仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了一維/三維聯(lián)合仿真模型的可靠性；同時(shí)針對發(fā)動(dòng)機(jī)艙出現(xiàn)的熱回流現(xiàn)象,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施并進(jìn)行道路測試，測試結(jié)果顯示：改進(jìn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度下降3.7 ℃,驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。通過一維/三維聯(lián)合仿真可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的分析效率，縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)艙;熱管理;一維和三維聯(lián)合仿真;熱回流;試驗(yàn)

0引言

近年來，隨著商用車發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提升，機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的熱流密度也隨之增大[1];為了滿足汽車的美觀性以及駕駛室舒適性等方面的要求，前置商用車進(jìn)氣格柵面積和發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間被設(shè)計(jì)得越來越小；同時(shí)，汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面要求使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)添加了更多的發(fā)熱裝置。商用車的使用環(huán)境相對惡劣且熱負(fù)荷大，普遍存在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度偏高的問題[2],冷卻液溫度過高不僅會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，而且會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等。因此，針對發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的研究十分必要。在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、節(jié)能且可靠的冷卻系統(tǒng)，并且合理地引導(dǎo)冷卻氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)，成為整車開發(fā)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的快速應(yīng)用，使得模擬仿真計(jì)算成為一種高效且實(shí)用的研究手法[3]。通過數(shù)值計(jì)算，能在產(chǎn)品開發(fā)前期，初步得到汽車機(jī)艙的流場分布以及冷卻系統(tǒng)的散熱情況，這為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的總布置和冷卻系統(tǒng)的匹配提供了有力的理論依據(jù)[4],避免了產(chǎn)品后期大的改動(dòng)，降低了工程成本。

三維仿真計(jì)算能直觀給出冷卻空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流動(dòng)情況以及整車的壓力分布，但對于汽車?yán)鋮s模塊的熱交換計(jì)算則需要投入大量的時(shí)間和資源；一維仿真雖然不能像三維仿真計(jì)算那樣考慮到所有細(xì)節(jié)，但它需要的計(jì)算資源少，計(jì)算時(shí)間短，能獲得較好的計(jì)算結(jié)果[5]。而傳統(tǒng)的一維和三維仿真計(jì)算是各自獨(dú)立進(jìn)行的,不能很好地發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。為了充分發(fā)揮一維仿真計(jì)算和三維仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，本文聯(lián)合使用一維與三維計(jì)算方法，將三維仿真得到的速度場轉(zhuǎn)化為阻尼系數(shù)矩陣，以自定義曲面方式導(dǎo)入一維軟件中，通過一維仿真計(jì)算出散熱器進(jìn)出水溫度，并通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了一維/三維聯(lián)合仿真計(jì)算模型的可靠性，同時(shí)針對機(jī)艙內(nèi)存在的熱回流現(xiàn)象提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，通過對改進(jìn)前后的樣車進(jìn)行道路測試，驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性。

1三維整車CFD分析

1.1數(shù)值模型的建立

汽車的車速遠(yuǎn)小于聲速，可認(rèn)為汽車周圍空氣密度不可變，即不可壓縮空氣[6]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，氣流在機(jī)艙內(nèi)容易出現(xiàn)分離現(xiàn)象，故仿真計(jì)算按湍流流動(dòng)處理。

為了降低模擬風(fēng)洞中的阻塞效應(yīng)、洞壁效應(yīng)和雷諾效應(yīng)對仿真計(jì)算精度的影響，計(jì)算域設(shè)定為：車前取4倍車長，車后取6倍車長，車兩側(cè)各取5倍車寬，高度取7倍車高[7],如圖1所示。計(jì)算域的入口邊界設(shè)定為速度入口，計(jì)算域的出口邊界設(shè)定為壓力出口，車身地面邊界設(shè)為非滑移壁面，計(jì)算域的其他壁面設(shè)定為滑移壁面。

圖1　汽車風(fēng)洞模型

1.2熱交換器模塊的建立

由于熱交換器(中冷器、散熱器)中存在大量的換熱管道和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的翅片，若直接模擬散熱器換熱流動(dòng)，則生成的網(wǎng)格數(shù)目將非常大，加大了工程成本。為節(jié)約計(jì)算資源和時(shí)間，熱交換器采用多孔介質(zhì)模型來模擬冷卻風(fēng)通過熱交換模塊時(shí)的壓力損失。在多孔介質(zhì)模型中，流動(dòng)的阻力被分解到給定的方向，并通過源項(xiàng)的方式，添加到動(dòng)量方程中。源項(xiàng)的系數(shù)可由下式推算出：

(1)

其中,Δp為壓降；L為多孔介質(zhì)厚度;α為空氣穿透系數(shù);μ為黏性系數(shù);C2為多孔介質(zhì)內(nèi)部損失系數(shù);v為來流速度;Pi為慣性阻尼系數(shù);Pμ為黏性阻尼系數(shù)。對樣車的熱交換器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2　熱交換器風(fēng)阻特性試驗(yàn)

從熱交換器的臺(tái)架試驗(yàn)可以獲得迎風(fēng)風(fēng)速和熱交換器的進(jìn)出口壓降數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法擬合得到換熱器慣性阻尼系數(shù)Pi和黏性阻尼系數(shù)Pμ,結(jié)果見表1。

表1　 熱交換器多孔介質(zhì)參數(shù)

風(fēng)扇的計(jì)算采用MRF法[8],整個(gè)計(jì)算過程遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律,控制方程采用有限體積法，能量方程采用的是二階迎風(fēng)插值格式，迭代方式采用SIMPLE算法。

1.3計(jì)算結(jié)果分析

由于樣車在額定功率點(diǎn)(功率為110kW,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600r/min)、環(huán)境溫度為31 ℃的試驗(yàn)工況下,開展整車熱平衡試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度偏高,超出車輛冷卻要求,故選取額定功率點(diǎn)工況進(jìn)行仿真分析。

圖3　機(jī)艙跡線圖

通過三維仿真計(jì)算可以直觀地顯示發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣體的流動(dòng)情況，如圖3所示。從圖3可以清楚地看到發(fā)動(dòng)機(jī)艙出現(xiàn)了明顯的熱回流現(xiàn)象,這是因?yàn)槔鋮s氣體從進(jìn)氣格柵流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙,依次通過中冷器、散熱器和冷卻風(fēng)扇，從風(fēng)扇流出后的受熱氣體在撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)前端面后導(dǎo)致部分受熱氣體再次流經(jīng)冷卻模塊,使冷卻模塊發(fā)生了熱回流現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了冷卻模塊的換熱效率，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2一維冷卻系統(tǒng)模型

汽車的冷卻系統(tǒng)由熱交換模塊(中冷器、散熱器)、護(hù)風(fēng)罩、冷卻風(fēng)扇、橡膠管、發(fā)動(dòng)機(jī)水套等構(gòu)成，承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱功能，以確保汽車能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行。本文研究樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)為增壓中冷式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其冷卻系統(tǒng)的布置如圖4所示。

圖4　汽車?yán)鋮s系統(tǒng)布置圖

根據(jù)樣車的結(jié)構(gòu)形式，分別設(shè)計(jì)空氣側(cè)和水側(cè)兩大部分。空氣側(cè)是由空氣流道特性CP值(汽車行駛過程中空氣流動(dòng)而引起壓力的變化)和中冷器、散熱器、冷卻風(fēng)扇以及內(nèi)部阻力模塊等構(gòu)成的。根據(jù)樣車?yán)鋮s系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，搭建了樣車?yán)鋮s系統(tǒng)空氣側(cè)模型，如圖5所示。

圖5　空氣側(cè)模型圖

由流體力學(xué)知識(shí)可知，氣流從外部流經(jīng)較小面積的格柵再流入較大面積的機(jī)艙空間過程中，氣流截面面積突然發(fā)生變化而造成壓力變化，在KULI軟件中這部分壓力的變化可用靜壓力變化進(jìn)行描述：

(2)

其中,CP為空氣流道特性;ρ為冷卻空氣密度;vinlet為冷卻空氣速度。通過三維CFD計(jì)算出樣車前臉格柵處的壓降變化來確定CP值為0.8。

水側(cè)是指冷卻液循環(huán)和空調(diào)循環(huán)等構(gòu)成，水側(cè)模型如圖6所示。水側(cè)模型包含散熱器冷卻液回路和中冷器流體回路。各冷卻部件參數(shù)值由零部件供應(yīng)商提供。

圖6　水側(cè)模型

在傳統(tǒng)一維軟件KULI中,設(shè)定散熱器迎風(fēng)面上的冷卻風(fēng)速是均勻分布的。但實(shí)際上,冷卻風(fēng)速在散熱器迎風(fēng)面上是不均勻的分布，是由冷卻風(fēng)扇和機(jī)艙特定空氣道共同引起的。而這種均勻的設(shè)定會(huì)影響散熱器中冷卻液與冷卻空氣之間傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確度,造成仿真計(jì)算結(jié)果誤差偏大，應(yīng)加以改進(jìn)。

3一維/三維聯(lián)合仿真

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究中，鑒于一維、三維單獨(dú)分析的局限性，可以結(jié)合一維/三維聯(lián)合分析方法進(jìn)行研究。

為了使計(jì)算更加真實(shí)可靠,在KULI中把散熱器分割成離散的小塊，通過每個(gè)小塊上定義的阻力矩陣來模擬計(jì)算出每個(gè)小塊上冷卻風(fēng)帶走的熱通量[8]。而散熱器表面速度分布可以通過CFD計(jì)算得出,把CFD計(jì)算得到的速度矩陣導(dǎo)入KULI中，在KULI中轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的阻尼系數(shù)ζ分布圖,如圖7所示。

圖7　散熱器表面阻尼系數(shù)分布圖

KULI結(jié)合CFD的聯(lián)合仿真計(jì)算相對于傳統(tǒng)一維仿真來說更加充分地考慮到車輛實(shí)際運(yùn)行中散熱器的阻力分布情況，從而更加真實(shí)地模擬出車輛前端冷卻模塊氣流流動(dòng)狀態(tài)，使得散熱器的換熱計(jì)算更加可靠。仿真工況為樣車的額定功率工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600r/min，行駛車速為39km/h,環(huán)境溫度為31 ℃,環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　試驗(yàn)測試值與仿真結(jié)果對比

4試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)條件

在輪轂試驗(yàn)臺(tái)上對本次研究樣車進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn),如圖8所示,試驗(yàn)過程采用大流量風(fēng)機(jī)和軸流通風(fēng)機(jī)來等效模擬汽車在行駛中的來流空氣,試驗(yàn)室環(huán)境溫度由空調(diào)機(jī)組控制，并在汽車進(jìn)氣格柵前40cm處布置溫度傳感器,用來校對試驗(yàn)環(huán)境溫度，試驗(yàn)環(huán)境溫度為31 ℃。

圖8　樣車熱平衡試驗(yàn)實(shí)物圖

試驗(yàn)工況為汽車額定載荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率(功率為110kW,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3600r/min),Ⅱ擋擋位，車速為39km/h。如圖9所示,在散熱器進(jìn)出口處以及機(jī)艙重要部件處布置WRNK-391型溫度傳感器，并用多通道數(shù)據(jù)采集儀器來采集并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖9　發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度采集實(shí)物圖

4.2模型可靠性的驗(yàn)證

通過試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析，來驗(yàn)證KULI結(jié)合CFD計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。從表2可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差,造成誤差的主要原因如下：數(shù)值計(jì)算過程中某些部件做了簡化處理,試驗(yàn)過程中各種參數(shù)的測量存在誤差,但誤差都不超過5%，因此，可認(rèn)為KULI結(jié)合CFD的計(jì)算模型是可靠的。

5發(fā)動(dòng)機(jī)艙的改進(jìn)

5.1改進(jìn)方案

用于評價(jià)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)冷卻能力性能的方法有很多，本文采用最常見的評價(jià)方法，即冷卻系數(shù)K來衡量改進(jìn)方案的有效性。冷卻系數(shù)K的計(jì)算公式為

K=θ1-θ0

(3)

式中,θ1為發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度;θ0為環(huán)境溫度。

K越小，則發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能越強(qiáng)[9]，根據(jù)車輛冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，K必須小于60。

通過三維CFD軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙散熱器明顯存在熱回流現(xiàn)象(圖3)，降低了散熱器的換熱能力。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)出現(xiàn)熱回流現(xiàn)象以及為解決發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度偏高的問題，對散熱器安裝了防回流導(dǎo)流罩和散熱器導(dǎo)流板，如圖10所示。

(a)風(fēng)扇導(dǎo)流罩(b)散熱器導(dǎo)流板圖10　改進(jìn)方案

圖11為改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間跡線對比圖。可以看出:添加改進(jìn)裝置后有效地減少了冷卻模塊的熱回流現(xiàn)象；同時(shí)安裝了散熱器導(dǎo)流板，散熱器的進(jìn)風(fēng)量增加有利于提高樣車的冷卻模塊的散熱能力。

(a)原始發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間跡線圖

(b)改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間跡線圖11　機(jī)艙跡線對比圖

一維/三維聯(lián)合仿真計(jì)算出散熱器改進(jìn)前后出水溫度的對比見表3。結(jié)果表明改進(jìn)后的散熱器進(jìn)水口溫度下降了3.6 ℃,冷卻系數(shù)K小于60,滿足汽車?yán)鋮s系統(tǒng)要求。

表3　改進(jìn)前后散熱器進(jìn)水口溫度對比　℃

5.2改進(jìn)方案的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案最終的效果,試制了風(fēng)扇導(dǎo)流罩和散熱器導(dǎo)流板,如圖12所示。安裝風(fēng)扇導(dǎo)流罩和散熱器導(dǎo)流板后,對樣車進(jìn)行了熱平衡道路試驗(yàn)。樣車按照GB/T12534進(jìn)行預(yù)熱,試驗(yàn)過程中樣車裝沙袋至額定載荷以模擬乘客滿員運(yùn)行情況如圖13所示,摘除節(jié)溫器，堵死小循環(huán)以保證冷卻系統(tǒng)始終處于大循環(huán)工作狀態(tài)，油門全開,Ⅴ擋行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在功率點(diǎn)(3600r/min)左右運(yùn)行，在高速跑道上進(jìn)行道路測試，行程為100km,通過整車測試系統(tǒng)采集并記錄散熱器進(jìn)出口水的溫度。

在相同試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工況下，對改進(jìn)前后的樣車分別進(jìn)行上述道路測試，測試結(jié)果表明：改進(jìn)后散熱器進(jìn)水溫度下降了3.7 ℃,冷卻系數(shù)K小于60,達(dá)到車輛冷卻要求,同時(shí)也驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

圖12　改進(jìn)方案實(shí)物圖

圖13　樣車道路測試

6結(jié)論

(1)利用數(shù)值計(jì)算工具可以在汽車開發(fā)前期對發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流動(dòng)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究，有利于機(jī)艙內(nèi)冷卻氣體的組織和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配研究，從而避免了機(jī)艙熱危害的出現(xiàn)。

(2)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與一維/三維聯(lián)合仿真結(jié)果的對比，驗(yàn)證了一維與三維聯(lián)合計(jì)算模型的可靠性，這特別適用于車輛開發(fā)前期發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的研究，有利于縮短開發(fā)時(shí)間，降低工程成本。

(3)通過三維CFD發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)出現(xiàn)熱回流現(xiàn)象。通過安裝風(fēng)扇導(dǎo)流罩,有效地阻止了熱回流,避免了循環(huán)加熱而造成散熱器散熱能力的下降。同時(shí)添加散熱器導(dǎo)流板,有利于增加散熱器冷卻風(fēng)的進(jìn)氣流量，從而提升散熱器的散熱性能。

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(編輯陳勇)

Testand1D/3DCo-simulationofThermalManagementforaCommercialVehicleEngineCompartment

GuoJianzhong1LuoRenhong1WangZhifeng2HuLi1WuYong1

1.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,4300812.GeelyAutomobileResearchInstitute,Ningbo,Zhejiang,315336

Abstract:In order to solve the problems of engine outlet water high temperature at rated power conditions.3D,1D and 1D/3D co-simulation tools were used to analyze the characteristics of heat dissipation in the engine compartment and the performance of cooling system respectively.Comparing the results of 1D/3D co-simulation and bench test,the results show the simulation results are in good accordance with test data,so the simulated model is reliable.At the same time,appropriate measures for improvement to avoid the thermal reflow phenomenon in a commercial vehicle engine compartment were proposed, then the road test was carried out.It shows that the measured outlet coolant temperature of engine reduces by 3.7 ℃, the effectiveness of the improved program is verified. By the 1D/3D co-simulation, the analysis efficiency of the underhood thermal manage can be improved greatly, the development cycle will be reduced.

Key words:engine compartment;thermal management;1D/3D co-simulation;thermal reflow;test

收稿日期：2014-04-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105283)

中圖分類號(hào)：U461

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.018

作者簡介：郭健忠,男,1969年生。武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槠嚬?jié)能與排放控制技術(shù)。羅仁宏,男,1989年生。武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院碩士研究生。王之豐,男,1989年生。浙江吉利汽車研究院有限公司工程師。胡溧,男,1977年生。武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院副教授。吳勇,男,1990年生。武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院碩士研究生。