基于有限元分析的家用轎車(chē)底盤(pán)散熱技術(shù)研究

張 凱

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

引言

污染物排放，燃料消耗和車(chē)輛性能是汽車(chē)市場(chǎng)一直面臨的挑戰(zhàn)。在未來(lái)十年，車(chē)輛的發(fā)展將面臨新的挑戰(zhàn)，即將側(cè)重于污染物和燃料兩者減少，從而減少二氧化碳的排放和使用燃料中污染物的控制。這一發(fā)展將迫使汽車(chē)制造商在車(chē)輛整體動(dòng)力總成方法的基礎(chǔ)上發(fā)展。在短期的情況下，排放法規(guī)將從目前的WLTP變?yōu)镽DE測(cè)試。這些法規(guī)的變化意味著汽車(chē)制造商將進(jìn)一步努力確保測(cè)試條件盡可能接近現(xiàn)實(shí)。車(chē)輛校準(zhǔn)是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多變量如交通或環(huán)境溫度都不能控制。為了克服這些困難，大多數(shù)制造商正在使用道路有限元測(cè)試來(lái)收集數(shù)據(jù)，而小型轎車(chē)的底盤(pán)熱量管理就是其中的重要環(huán)節(jié)。

在這項(xiàng)工作中，使用有限元（CFD）方法來(lái)確定某些設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性，例流場(chǎng)與溫度分布的相關(guān)性。所提出的方法認(rèn)為只有汽車(chē)和前面的鼓風(fēng)機(jī)考慮在內(nèi)。目標(biāo)是確定汽車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)特性考慮到鼓風(fēng)機(jī)出口部分的變化，并圍繞汽車(chē)底盤(pán)的熱分布開(kāi)展討論。

1 家用轎車(chē)底盤(pán)CFD網(wǎng)格劃分和方法分析

在真實(shí)道路條件下對(duì)汽車(chē)進(jìn)行仿真需要使用擴(kuò)展域，以確保汽車(chē)周?chē)牧髁窟h(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽車(chē)的上游和下游，所以在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，有必要有一個(gè)圍繞車(chē)身的相當(dāng)精細(xì)的網(wǎng)格以充分解決邊界層，并且也在尾流區(qū)域，但是這樣的劃分，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格質(zhì)量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致非常大量的網(wǎng)格細(xì)胞，也一定會(huì)加重計(jì)算量。

圖1 家用轎車(chē)底盤(pán)的流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格劃分

在圖1中，提供了在真實(shí)道路狀況下模擬汽車(chē)周?chē)鲃?dòng)的網(wǎng)格：其尺寸在汽車(chē)中定義長(zhǎng)度是下游11，上游10和高度 4。這種情況下由于這種類(lèi)型的網(wǎng)格生成計(jì)算效果較好，所以使用笛卡爾方法切割細(xì)胞。事實(shí)上，它可以準(zhǔn)確地適應(yīng)車(chē)輛的復(fù)雜幾何形狀，同時(shí)在墻壁上保持良好的網(wǎng)格質(zhì)量并具有足夠的高分辨率。在計(jì)算域中，從最小值 0.004m到最大值0.500m的范圍內(nèi)，總共3.0E + 06個(gè)單元。為了重現(xiàn)相對(duì)的軸向風(fēng)，在汽車(chē)的上游施加55m / s（200km / h）的速度入口邊界條件，同時(shí)在下游，上部和外部周?chē)O(shè)定大氣壓力條件。為了減少網(wǎng)格單元的數(shù)量，只考慮了一半的車(chē)域沿著汽車(chē)長(zhǎng)度的對(duì)稱(chēng)平面。

2 家用轎車(chē)底盤(pán)有限元模擬結(jié)果分析

在轎車(chē)的車(chē)輛設(shè)計(jì)當(dāng)中，如何使得車(chē)身（包括車(chē)輛底盤(pán)）達(dá)到熱均勻是設(shè)計(jì)工作者一直所追求的目標(biāo)，利用上述網(wǎng)格模型，通過(guò)計(jì)算，可以得到風(fēng)機(jī)模擬試驗(yàn)車(chē)輛周?chē)牡缆妨鲃?dòng)情況，圖5表示流場(chǎng)流過(guò)車(chē)輛后，車(chē)輛前后的溫度分布情況（左圖為車(chē)輛后部，右圖為車(chē)輛前部）。

從圖2中可以看出，車(chē)輛的尾部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車(chē)輛前部的溫度，這主要是由于尾部明顯存在流速非常低的區(qū)域。事實(shí)上，正如預(yù)期的那樣，汽車(chē)前方雖然產(chǎn)熱量較大，但是有一個(gè)接近零速度的停滯區(qū)域，這會(huì)使得車(chē)輛前部的溫度較后方來(lái)說(shuō)低很多。

圖2 汽車(chē)流場(chǎng)中前后溫度分布

其他研究也表明，從位于汽車(chē)前方大約一半高度的停滯點(diǎn)起，流場(chǎng)流動(dòng)分離，一部分流過(guò)汽車(chē)，其余部分在汽車(chē)下方。仔細(xì)觀察圖 3，在汽車(chē)底盤(pán)有兩個(gè)附加的區(qū)域，其中幾乎是流動(dòng)的零速度。首先在汽車(chē)下面，從前面流過(guò)的地方到達(dá)底盤(pán)部位，因?yàn)樗荒芎芸爝m應(yīng)汽車(chē)的幾何形狀，從而急劇轉(zhuǎn)彎，流線投射到地面上，很難到達(dá)底盤(pán)后部，導(dǎo)致底盤(pán)后部的溫度相比前部較高。

此外，影響汽車(chē)底盤(pán)熱分布的另外一個(gè)重要因素是，汽車(chē)下方（底盤(pán)）的壓力分布。盡管不同的鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在壓力分布方面存在一些差異，但它們?cè)?000Pa左右，不是很顯著。顯然，風(fēng)速不是影響底盤(pán)壓力分布均勻性的重要因素。這個(gè)可能的原因是由于在風(fēng)機(jī)的情況下，地板邊界條件沒(méi)有考慮到輪子運(yùn)動(dòng)這一事實(shí)。事實(shí)上，對(duì)于路上模擬，道路正在相對(duì)于車(chē)輛以與車(chē)輛相同的方向移動(dòng)空氣，為了獲得更好的區(qū)域預(yù)測(cè)，在CFD風(fēng)機(jī)計(jì)算中也應(yīng)慮輪子在地板上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖3 汽車(chē)底盤(pán)的在流場(chǎng)中（風(fēng)冷）的散熱情況

事實(shí)上，空氣對(duì)車(chē)體施加拖曳力，影響了其空氣動(dòng)力學(xué)性能，并在稍后被模擬作為拖曳力，這會(huì)影響其機(jī)械效率。因此，空氣與汽車(chē)車(chē)輛相互作用，在一定條件下對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的散熱效率影響很大。對(duì)于后驅(qū)行轎車(chē)，流動(dòng)的氣流不僅有助于后方底盤(pán)后部的熱量排散，也有助于冷卻排氣，從而對(duì)后處理裝置的性能產(chǎn)生積極影響。在制動(dòng)功率要求較高的車(chē)輛中，車(chē)輛前部的氣流常常不僅用于車(chē)輛前部底盤(pán)的散熱，目前也被傳送至制動(dòng)器卡鉗以消散制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。但是，空氣相對(duì)于車(chē)輛的速度對(duì)這個(gè)溫度有相反的影響。一方面影響空調(diào)系統(tǒng)的冷凝效果，這對(duì)系統(tǒng)效率有消極影響。另外，汽車(chē)輪胎周?chē)臍饬鞑粌H會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，對(duì)輪胎溫度也有很大的影響，因此對(duì)滾動(dòng)阻力有影響，這些熱量均會(huì)影響汽車(chē)底盤(pán)的熱分布。

3 結(jié)論

本文利用有限元分析，真實(shí)地再現(xiàn)樂(lè)車(chē)輛底盤(pán)與空氣相互作用，展現(xiàn)了汽車(chē)底盤(pán)的溫度分布和散熱特性。經(jīng)過(guò)分析可知，車(chē)輛的速度和氣流的速度對(duì)底盤(pán)散熱的影響并不大，所以，為了達(dá)到汽車(chē)底盤(pán)的有效散熱，需要根據(jù)氣動(dòng)特性，進(jìn)一步對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以便能夠在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，底盤(pán)熱分布達(dá)到均勻。

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