某車型冷卻系統針對中東工況的仿真與試驗

林卉 林鐵平 萬星榮

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

隨著國內車企的壯大，越來越注重海外市場。中東地區氣候、地形及客戶用車習慣與國內存在區別，若整車出口中東地區，則需要對其進行新的驗證或改善。其中，中東地區高溫、多沙及低坡等特點，對汽車冷卻系統提出了較高的要求。文章基于某車型出口中東地區的需求，對其冷卻系統在中東地區進行仿真分析，結果顯示不符合要求，故根據仿真分析的結果篩選出5個優化方案，并在環境試驗室里進行優化方案驗證，結果表明，優化方案能有效解決冷卻系統存在的風險，滿足出口中東地區的要求。

1 中東地區工況和目標值的設定

1）通過世界氣象信息服務網對中東地區多個城市和中國多個城市的對比得到，近30年來，中東城市平均最高氣溫在42～47℃，中國城市平均氣溫在30～35℃，中東最高氣溫比中國平均氣溫高12℃。除了資料記錄的氣候地形信息，選擇科威特和伊朗進行了實地考察，最高氣溫為D，坡度為B±3%，濕度為10%。鑒于以上描述，設定中東工況為40 km/h，空調開，環境溫度為E+12℃=D，坡度為B，濕度為10%，日照強度為1 000 W/m2。（注：工況設定屬于公司機密，具體數值由字母替代。）

2）國內設定的最嚴苛工況為中低速，空調溫度為E，坡度為B（不帶拖車）和C（帶拖車），濕度為50%，日照強度為1 000 W/m2。

3）目標值設定采用ATB方法，導致冷卻液沸騰的環境氣體溫度（ATB）：式中：Tv——系統最大壓力下的冷卻液沸點溫度，℃；

Tu——發動機出口處冷卻液溫度，℃；

Ta——環境氣體溫度，℃。

故針對中東地區工況的環境溫度（D），車型冷卻液沸點為130℃，ATB≥F，目標Tu≤122℃。

2 仿真分析及試驗驗證

2.1 仿真分析

仿真分析分為三維整車流場溫度場計算和一維冷卻系統匹配計算兩部分[1-2]。其中，三維整車流場溫度場計算采用整車模型，運用軟件進行網格劃分和仿真計算。計算域加密后，體網格數量約1 000萬個。模型進口邊界設置為40 km/h，地面無滑移；介質為空氣，溫度為D，穩態，常密度；湍流模型選擇Real i zabl ek-ε，冷凝器、發動機散熱器及中冷器選擇多孔介質模型；風扇選擇M RF模型，溫度場計算只考慮空氣對流換熱，不考慮熱輻射和固體熱傳導。

原方案三維流場計算結果，如圖1所示；散熱器迎面的法向風速計算結果，如圖2所示。

圖1 整車原始方案的速度云圖

圖2 散熱器迎風面速度分布云圖

根據三維整車流場溫度場計算出發動機散熱器的迎面風速和風溫，將風速和風溫輸入一維冷卻系統匹配模型里進行發動機散熱器水溫計算[3-4]。

一維冷卻系統計算主要輸入參數為：發動機散熱器迎面風速為2.58 m/s，散熱量為30.64 kW，冷卻液流量為58 L/min，散熱器尺寸為720 mm×420 mm×26 mm。

通過以上的三維耦合一維計算，得到在中東地區工況下的發動機散熱器進水溫度為128.6℃，大于目標值122℃，故得出結論，該狀態下的車型若出口中東地區，冷卻系統不合格。水溫優化至少要降低7℃。

文章提出5種優化方案，每種方案在進行試驗前都進行了仿真分析，預估其水溫降低效果。

2.2 優化方案及仿真效果

2.2.1 增大格柵開口（方案1）

增大格柵開口[5]，即增大散熱器進風量。該方案的三維速度場仿真結果，如圖3所示。再耦合一維進行結算，結果顯示，增大格柵開口后，散熱器前空氣溫度降低2℃，風速增大5%，水溫降低4℃。

圖3 增大格柵開口方案的速度圖對比

2.2.2 液力變矩器鎖止（方案2）

液力變矩器在低車速時，用于增大扭矩，處于非鎖止狀態。當液力變矩器非鎖止時，傳動效率降低。

傳動效率：η=η1η2

其中，η1根據變速箱轉速、變速箱扭矩及擋位3個要素確定；η2根據e（e=渦輪轉速/泵輪轉速）的大小從該變矩器特性曲線插值得到。

通過仿真計算得到鎖止和非鎖止的效率相差14.5%，鎖止后的大循環散熱量（即通過散熱器冷卻的散熱量）降低了5.46 kW，則散熱器進水溫度降低了9℃。

2.2.3 冷卻模塊上下密封（方案3）

對于冷卻系統來說，做好冷卻模塊四周密封，阻止怠速和低速狀況下的熱氣回流帶來的空調壓力升高，以及散熱器進水溫度升高是一件必要的工作。該車型由于前期關注點在低速工況的熱氣回流，而忽略了怠速時熱氣回流更加嚴重的情況，故在本次優化方案中，提出對怠速工況進行空調及散熱器水溫的驗證。對于在中東地區使用，用戶更關注在高溫和汽車長時間怠速的直觀感受[6]。

2.2.4 提高散熱器單品散熱能力和風扇功率（方案4）

散熱器換熱為強制對流換熱，換熱系數（h）用公式表示如下：

式中：Pr——普朗特數，常數；

Re——雷諾數，常數；

Nu——努賽爾數，常數；

A——迎風面積，m2。

所以，為了提高散熱器單品散熱能力，也就是提高其翅片和扁管的Pr和Re。其中采取的具體措施是：扁管增加凹點擾流，提高水側湍流強度，提高Re；扁管和翅片排列進行優化，增大A。由于散熱器單品風側阻抗增加，通過散熱器壓降和風扇壓升的匹配，增大風扇功率，保證散熱器優化前后的風速一致[7-9]。表1示出散熱器單品能力提高的效果對比。

表1散熱器單品散熱能力提高效果（固定風速）

2.2.5 減少中冷器排數（方案5）

該車型原有布置中，考慮離地角、防撞梁及性能預留，中冷器布置偏高，與冷凝器重疊面積大，理論上減小了處于它后方的冷凝器和散熱器的進風量。通過仿真分析，得到減少中冷器內部1排散熱片后，散熱器的進風風速和風溫仿真結果，如圖4和圖5所示。表2示出相對應的風溫風量具體變化值。由于減少中冷器內部1排散熱片后的風量和風溫變化在3%和1℃以內，故判斷中冷器減少這個方案不可行。但后續試驗出于驗證考慮，仍然加上了這個驗證方案。

圖4 中冷器減少1排方案的速度分布圖

圖5 中冷器減少1排方案的溫度場分布圖

表2 中冷器減少1排散熱片后的風量和風溫變化數值

2.3 試驗驗證效果

對于冷卻系統的驗證試驗優先考慮在風洞進行，但出于時間和地點考慮，本次驗證試驗地點選擇了佛山檢測中心（環境試驗艙，非風洞）。該檢測中心的環境試驗室缺少光照，且最高環境溫度設置為45℃，故驗證試驗只能得到優化方案的效果，非絕對值。試驗條件設置如下[10]：試驗室環境溫度為45℃，車速為40 km/h和怠速，坡度為B，空調設置至最大風量，外循環，無光照。

試驗結果表明，加大格柵開孔和液力變矩器鎖止對發動機散熱器進水溫度影響最大，但仍需考慮對其他系統影響。液力變矩器在低速工況鎖止造成汽車抖動，駕駛性劣化，考慮駕駛調教的周期和成本，故不考慮鎖止液力變矩器方案。而中冷器減少1排方案無優化作用，故也不采取。采取方案1，3，4組合后的發動機散熱器水溫可優化10℃，基本滿足目標值降低7℃需求。

中東地區工況中，除了低速行駛工況的水溫需要考察，怠速工況的空調舒適性也需要重點考察。而在原始狀態試驗中，低速行駛結束進入怠速階段，冷凝器前空氣溫度由于熱氣回流升高，導致空調壓縮機高壓升高，超過切斷壓力（該車型為3.14 M Pa），且無法恢復，嚴重影響了乘坐的舒適性。而采取冷卻模塊上下密封后，冷凝器前進氣溫度較原始狀態降低18℃，怠速空調壓力降低至少0.3 M Pa，避免了空調切斷。其他工況也有降低空調壓力，改善空調舒適性的作用。表3示出發動機進水溫度降低后的仿真和試驗結果。

表3 5種優化方案發動機進水溫度仿真和試驗結果 ℃

3 結論

綜上所述，因方案3使進水溫度只降低0～1℃，所以忽略不計，故采用方案1和方案4組合后即可降低發動機散熱器進水溫度10℃，基本滿足降低7℃的目標。同時采取冷卻模塊密封方案，可解決在怠速時由于熱氣回流帶來的空調切斷問題。文章的思路從工況選取、仿真分析、優化方案篩選及試驗驗證優化方案的效果，并最后結合每個優化方案帶來的設計變更來確定最終的方案，體現了完整解決問題的流程。