基于CFD的某輕客冷卻系統(tǒng)性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，李盈盈

基于CFD的某輕客冷卻系統(tǒng)性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，李盈盈

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用商用三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件和一維仿真軟件相結(jié)合，對(duì)某型車機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)特性，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，提升通過(guò)散熱器的風(fēng)量。然后通過(guò)一維軟件對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能性能匹配分析并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

CFD；機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)；三維；一維耦合

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-14-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的“心臟”，其正常工作是保證汽車正常行駛的必要條件。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要有正常的溫度環(huán)境約90℃。如果發(fā)動(dòng)機(jī)艙過(guò)熱將會(huì)引起一系列的問(wèn)題。如發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱存在暴缸的危險(xiǎn)；引起氣阻，供油不暢以致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的部件過(guò)早老化失效。雷諾汽車公司就曾因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱問(wèn)題（發(fā)動(dòng)機(jī)艙的汽油管因過(guò)熱而退化，發(fā)動(dòng)機(jī)艙可能散發(fā)出汽油味，有時(shí)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，極少數(shù)情況下會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)艙冒煙）召回2002年12月31日之前生產(chǎn)的風(fēng)景JA13兩驅(qū)和2002年6月30日之前生產(chǎn)的風(fēng)景JA13四驅(qū)車型，在中國(guó)共計(jì)1671輛[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流流動(dòng)分析有實(shí)驗(yàn)和CFD仿真分析兩種方式。實(shí)驗(yàn)方式耗資大、周期長(zhǎng)、氣流流場(chǎng)顯示不直觀導(dǎo)致優(yōu)化不方便。而這些缺點(diǎn)恰恰就是CFD仿真的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少人采用CFD方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)分析的可行性進(jìn)行過(guò)研究[2][3][4][5]。

試驗(yàn)和數(shù)值模擬（CFD）是研究整車?yán)鋮s性能的主要手段。數(shù)值模擬相比于試驗(yàn)，其成本較低。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算精度不斷提高，完全可以滿足工程需求，在車型開(kāi)發(fā)前期，方案選取時(shí)，能發(fā)揮重要作用。本文先采用數(shù)值模擬的方式對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)性能進(jìn)行研究分析，并提出相關(guān)優(yōu)化方案，使冷卻系統(tǒng)性能在滿足其使用要求，然后進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

數(shù)值模擬CFD方法是汽車外部復(fù)雜流場(chǎng)的主要研究方法之一。求解雷諾平均NS方程是當(dāng)前數(shù)值計(jì)算的主要方法，需補(bǔ)充湍流模型對(duì)方程進(jìn)行封閉。湍流模型對(duì)于數(shù)值模擬汽車外流場(chǎng)的精度具有決定性影響。研究表明選用RNG kε湍流模型的效果較好，這種模型通過(guò)修正湍流粘度考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，本文即選用RNG k-ε湍流模型[3-7]。

1 基本方程和湍流模型

汽車車速一般遠(yuǎn)低于聲速，因而汽車周圍流場(chǎng)可以看作是三維不可壓縮流場(chǎng)，由于其外形復(fù)雜容易引起分離，所以應(yīng)按湍流處理。

其控制方程如下：

（1）連續(xù)方程

（2）運(yùn)動(dòng)方程

在RNG k-ε模型中，通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度有系統(tǒng)的從控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似。

湍流動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)耗散率ε方程：

其中，

2 一維三維耦合流程

先對(duì)整車機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行分析。得到整車上中冷器周圍流場(chǎng)分布和通過(guò)中冷器的風(fēng)量→一維中冷器性能分析→優(yōu)化三維流場(chǎng)，提升中冷器風(fēng)量→優(yōu)化后中冷器性能分析。

圖1 一維三維耦合流程

3 計(jì)算域與邊界條件

應(yīng)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬需要確定計(jì)算域的大小，整除流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算域外輪廓為一個(gè)長(zhǎng)方體形狀，汽車位于長(zhǎng)方體中的某個(gè)位置，用來(lái)模擬汽車風(fēng)洞試驗(yàn)段或者道路試驗(yàn)情況。根據(jù)汽車外流場(chǎng)的特點(diǎn)、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算成本，可選擇計(jì)算域大小為：入口距車輛前端3倍車長(zhǎng)，出口距車輛后端6倍車長(zhǎng)，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬。

計(jì)算工況為：60km/h爬坡工況和130km/h高速工況。湍流強(qiáng)度0.5%；出口壓力為p=0（相對(duì)于大氣壓）；考慮到地面效應(yīng)對(duì)汽車底部的氣流的影響，設(shè)置地面速度與來(lái)流大小方向相同；車身表面為固壁無(wú)滑移條件，其余流場(chǎng)壁面采用滑移條件；輪胎采用旋轉(zhuǎn)壁面；中冷器、冷凝器、散熱器采用多孔介質(zhì)模型；風(fēng)扇采用MRF模型。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 三維流場(chǎng)計(jì)算分析與優(yōu)化

汽車在怠速低速下前端模塊進(jìn)氣主要是由風(fēng)扇主導(dǎo)，這時(shí)容易在前端模塊周圍形成局部回流。而在高速工況，前端模塊進(jìn)氣主要是由格柵決定，風(fēng)扇作用較小。

圖2 原始模型分析結(jié)果

圖2（a）為原始模型怠速工況分析結(jié)果。從圖中可以看到，由于風(fēng)扇布置在散熱器后方，從格柵抽風(fēng)進(jìn)入散熱器，而怠速工況下，格柵進(jìn)氣無(wú)額外動(dòng)力源，格柵進(jìn)氣不足，部分機(jī)艙內(nèi)氣體從散熱器兩側(cè)回流到散熱前，嚴(yán)重影響風(fēng)扇吸風(fēng)效率。同時(shí)通過(guò)散熱器進(jìn)入機(jī)艙的氣體已被加熱，重新吸入散熱后，將影響散熱器換熱性能。

圖2（b）為原始模型60km/h工況分析結(jié)果。從圖中可以看到，由于該工況格柵進(jìn)氣量較大，大部分氣流進(jìn)入格柵后通過(guò)冷凝器、散熱器進(jìn)入機(jī)艙。而部分氣體由于前端模塊阻力大而從散熱器旁的間隙進(jìn)入機(jī)艙。導(dǎo)致相當(dāng)一部分格柵進(jìn)氣沒(méi)有被合理利用。

圖3 優(yōu)化示意圖

根據(jù)原始模型分析得到的該車型不同工況流場(chǎng)特點(diǎn)，既要考慮阻止怠速回流、又要考慮非怠速工下散熱器周圍漏風(fēng)?？紤]采用密封散熱器兩側(cè)間隙的優(yōu)化措施，及前端模塊增加導(dǎo)風(fēng)圈，如圖3所示。

表1為不同工況下，優(yōu)化前后通過(guò)散熱器風(fēng)量對(duì)比，從表中數(shù)據(jù)可以看到，V=60km/h、V=130km/h工況下，通過(guò)中冷器的風(fēng)量分別增加了12.1%和23.2%。怠速工況由于散熱器周圍回流減少，通過(guò)散熱器的流量略有減小。

表1 優(yōu)化前后中冷器風(fēng)量對(duì)比

4.2 一維冷卻系統(tǒng)性能分析

根據(jù)整車?yán)鋮s系統(tǒng)性能要求，需滿足各使用工況下，冷卻系統(tǒng)平衡水溫≤110℃。

圖4為整車?yán)鋮s系統(tǒng)分析原理圖。水側(cè)流量通過(guò)水泵性能及整個(gè)冷卻系統(tǒng)各部件產(chǎn)生的阻力自行平衡獲得。散熱器冷側(cè)風(fēng)量采用三維計(jì)算出的風(fēng)量，環(huán)境溫度40℃。

表2為優(yōu)化前后分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由于實(shí)驗(yàn)工況只進(jìn)行了爬坡和高速工況。因此這里只對(duì)這兩個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可以看到，原始狀態(tài)，高速工況冷卻系統(tǒng)平衡水溫112.4℃，超過(guò)需用限值110℃。優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)水溫滿足要求。

圖4 冷卻系統(tǒng)一維仿真示意圖

同時(shí)，從優(yōu)化后分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可看到，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

表2 優(yōu)化前后中冷器熱側(cè)出風(fēng)溫度與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

5 總結(jié)

1）本文采用CFD技術(shù)對(duì)整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬，針對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)并提出了優(yōu)化措施，有效提高了散熱器冷側(cè)進(jìn)風(fēng)量。

2）采用一維、三維耦合的方式對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)水溫進(jìn)行分析，解決了冷卻系統(tǒng)水溫超限的問(wèn)題。并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，吻合度較高，可以滿足工程需求。

3）采用CFD技術(shù)，大大縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。

[1] 馬麟.雷諾風(fēng)景因發(fā)動(dòng)機(jī)艙油管過(guò)熱退化召回1671輛.[EB/OL]. http∶//auto.sina.com.cn/news/2006-06-22/0910195154.shtml,2006-0 6-22.

[2] Hucho W H. Aerodynamics of Road Vechicles. 1987.

[3] 李學(xué)武.某微型客車的氣動(dòng)特性分析及優(yōu)化[D].湖南：湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，2008.

[4] 谷正氣主編. 汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京∶人民交通出版社[M],2005.

[5] 蔣光福,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性研究.2005 Fluent 中國(guó)用戶大會(huì)論文集.

The 1D and 3D coupling analysis of thermal management in under-hood

Liu Congcong, Hu Jie, Li Yingying
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The flow field in engine room is simulated by using 3D CFD software. Then the coolant flow of 1D cooling system is simulated by using 1D simulated software. By optimizing the airflow in engine room, the air flow rate through radiator is improved which lead a better performance of 1D cooling system. The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.

Computational fluid dynamics (CFD); flow field in engine room; 1D and 3D coupling

U467

A

1671-7988 (2017)16-14-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.006

劉聰聰（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。