基于OpenFOAM的發動機艙回流計算方法研究

吳龍兵，周江彬，吳海波,，許思傳

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201804；2.同濟大學 汽車學院，上海 201804）

車輛在怠速工況下的發動機艙熱空氣回流是導致冷卻、空調系統性能降低的重要原因[1-2]。針對當前的新能源車型，空調系統作為消耗電池電量的重要環節，低效率的空調系統將給整車續航帶來極大挑戰。因此，如何降低前艙回流，提高空調、冷卻等系統的效率，對新能源車型尤為重要[3]。尤其是針對當前的混合動力車型，由于動力系統的需要，前艙及冷卻模塊布置更復雜且更易受到回流的影響。

目前針對汽車發動機艙回流問題的研究和工程實踐以計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）定性計算和整車測試結合為主[4-6]。張坤等[7]通過對計算流場的分析，優化存在回流的區域的導風件，改善發動機散熱性能。PATIDAR等[8]通過對某商用車前艙和冷卻模塊的CFD分析，對散熱器局部位置增加擋風板，阻止熱空氣回流。從大多數的研究和工程案例來看，目前基于CFD的回流仿真工作是建立在定性分析的基礎上，通過對流場的分析來對問題進行研究[9-10]。然而，對于前艙回流問題的定量研究，通常是對輸出的流量結果進行處理。王東等[11]通過對散熱器進風量以及格柵進氣量的計算，根據進氣效率來估算不同設計狀態下的回流率。對于艙內熱空氣回流至冷卻模塊前的量化以及分布情況，目前并無相關研究。因此，開發一種可直接進行回流計算并根據分布云圖進行分析的方法，對提高空調系統和冷卻系統的性能至關重要。OpenFOAM是一款開源CFD軟件，其源代碼公開，可根據其源代碼進行功能及求解器的開發，以實現更多功能[12-13]。

本文基于OpenFOAM軟件對計算回流的方法進行開發，研究前艙熱空氣回流問題，并對某款PHEV車型進行驗證，根據計算結果進行優化，降低前艙回流，提高怠速下的熱管理系統性能。

1 回流計算方法開發

發動機艙回流指的是發動機艙的熱空氣回流到前端冷卻模塊上，使經過冷凝器、中冷器、低溫散熱器以及發動機散熱器等零件的空氣溫度變高，導致散熱性能下降的現象。與車輛在移動狀態下不同，當車輛處于怠速時，冷卻模塊由布置在其后方的風扇提供風量，此時由于無主動進風，冷卻模塊前方的壓力低于風扇后，會導致更多發動機艙熱空氣通過冷卻模塊周邊的縫隙返回至冷卻模塊前方。

1.1 基本控制方程

由于前艙氣流的不可壓縮性以及前艙存在大量渦流現象，所以計算的基本控制方程依然是連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。

連續性方程：

式中：ρ為流體的密度，kg/m3；ui為流體速度沿i方向的分量；xi為i方向的坐標；t為時間，s。

動量守恒方程：

式中：p為靜壓力，Pa；t為時間，s；xi為i方向坐標；xj為j方向坐標；ui為流體速度沿i方向分量；uj為流體速度沿j方向分量；ρ為氣體密度，kg/m3；為應力矢量；gi為i方向的重力分量；Fi為阻力等引起的其它項。

能量守恒方程：

式中：h為熵；t為時間，s；xi為i方向的坐標；ui為流體速度沿i方向的分量；T為溫度，K；ρ為氣體密度，kg/m3；k為分子傳導率；ki為由湍流傳遞而引起的傳導率；Sh為定義的體積源。

發動機艙內的空氣流動較為復雜，尤其是當發動機處于怠速狀態下，存在較多渦流，因此，選用k-ε湍流模型。標準k-ε模型是半經驗公式，主要以湍流動能和耗散率為基礎。湍流動能方程是精確方程，而湍流動能耗散率方程是由經驗公式推導出的。數學表達式如下。

湍流動能方程：

湍流動能耗散率ε方程：

式中：μl為層流黏度系數；μt為湍流黏度系數；Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能，m2/s2；Gb為由浮 力 產 生 的 湍 流 動 能，m2/s2；為經驗常數。

1.2 計算原理

開發的回流計算方法的原理如圖1所示。分別對散熱器進出面進行定義，進風面設置為sink項，所有經過該面的空氣被吸收混合，出風面設置為source項，通過該面的空氣為被加熱后的空氣，定義所有經過該面的空氣為新的組分，即回流熱空氣（radiator air），除回流外的空氣定義為新空氣（cool air）。以監測冷凝器進風回流程度為例，監控面設置在冷凝器迎風面，監測面上的混合空氣由兩種組分構成，即回流熱空氣以及除此以外的新空氣，通過對計算結果的后處理，可得到冷凝器的回流占比。計算過程分為兩個階段，第1階段進行流場計算，當流場穩定后再進行回流流場計算，直至計算收斂。

圖1 回流計算方法原理

2 某車型仿真與優化

基于開發的計算方法，對某PHEV車型在怠速工況下的前艙回流問題進行分析。該車型遇到的問題是怠速工況下空調降溫性能較差，車內出風口溫度難以達標。通過與另一款車型的對比發現，主要差別在于冷卻模塊及其周邊模塊的布置，因此，猜測是怠速下回流率過高造成冷凝器散熱性能變而差引起的空調性能下降。

在計算模型中設置風扇的特性曲線以及散熱器的阻力系數等，回流空氣在冷凝器表面的組分分布如圖2和圖3所示。

圖2 回流空氣在冷凝器表面的分布

圖3 新鮮空氣在冷凝器表面的分布

對計算結果的后處理過程中，可分別分析回流熱空氣以及新空氣在冷凝器表面的分布情況。由圖2可知，回流熱空氣在冷凝器表面的分布主要集中在冷凝器左側以及右上角區域。由圖3可知，新空氣在冷凝器表面的分布與回流熱空氣的分布正好耦合。

為驗證該區域空氣回流的存在，對冷卻模塊附近的回流流場進行分析，如圖4和圖5所示。

圖4 冷卻模塊左側區域回流流場

圖5 冷卻模塊右上角區域附近流場

根據冷凝器表面云圖可知，回流集中在左側和右上角區域，因此，著重對這兩個區域的回流流場進行分析。圖4為左側回流區域的流場，追溯該區域的回流來源，回流空氣的路徑主要是通過散熱器與支架間隙以及部分通過導風件縫隙。圖5為右上角區域流場，該區域與左側不同，少量回流空氣通過散熱器支架間隙，大多數熱空氣來源于導風件縫隙，甚至冷卻模塊左側縫隙導致的回流空氣會橫穿整個冷卻模塊到達右上角區域。

該計算方法除了可以直接顯示回流空氣在冷凝器表面的分布外，還可以通過對計算結果的歸一化以及冷凝器表面的空氣流量結果，分別得到冷凝器表面的回流空氣量和回流率。怠速工況下冷凝器進風量為0.518 kg/s，回流率為32.7%，回流熱空氣量為0.169 kg/s。

根據CFD計算的結果，對該冷卻模塊周圍的密封以及導風件結構進行優化，為配合計算方法的驗證，分別采用以下兩種優化方案。

方案1：對散熱器與支架之間的間隙進行密封。

方案2：在方案1的基礎上對導風件進行優化，最大限度減小與周邊結構的縫隙。

分別對兩種優化方案進行計算，計算設置保持與原車型一致。方案1、方案2的計算結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 方案1冷凝器表面的回流分布

圖7 方案2冷凝器表面的回流分布

與原車型相比，通過方案1的優化，左側區域的回流情況明顯改善，僅有部分無法被密封件覆蓋的孔隙存在回流。右上角區域回流情況有所改善，但效果較差，通過對回流流場的分析，右上角區域的回流來源有很大一部分是來自導風件縫隙甚至左側的縫隙，因此，在方案1的基礎上對導風件結構進行優化，盡可能消除導風件與周邊零件的縫隙。計算結果如圖7所示。

由圖7可知，通過對導風件結構的優化，阻隔回流空氣通過導風件與周邊結構的縫隙，對于降低右上角區域的回流有明顯效果，右上角區域的回流基本消失，僅有冷卻模塊左側存在少量回流。由于該區域布置了空調管路等零件，密封件無法覆蓋到該區域，所以未對該區域進行密封優化。

由圖8可知整個冷卻模塊在內的流場信息，可以看出，區域內回流量明顯減少，尤其是回流至散熱器表面的熱空氣基本被阻隔。

圖8 優化后的回流流場

分別對兩種優化方案的計算結果進行歸一化處理，得到回流率及回流量結果。優化后及原車型的回流率和回流量的比較見表1。通過在散熱器與支架之間增加密封件，回流率從32.7%降低至24.8%，左側區域的回流降低明顯，再通過對導風件結構的優化，整體回流率降低至9.3%，右上角區域的回流情況明顯改善。

表1 優化方案與原車型計算結果匯總

3 結論

怠速工況下冷卻模塊的冷卻空氣完全由風扇提供，前后壓差的存在導致前艙熱空氣極易回流至冷卻模塊前方，從而降低空調、冷卻系統性能。本文基于OpenFOAM進行回流計算方法的開發，通過定義監測面、組分轉變面和不同組分，可對前艙回流問題進行分析。采用開發的計算方法直接計算回流空氣在監控面上的分布云圖和回流流場，并根據計算結果進行處理，計算出回流率和回流量。

利用開發的方法對某款PHEV車型進行計算，原型車的回流率為32.7%，回流量為0.169 kg/s。根據云圖及流場對密封件和導風件結構進行優化，使回流率分別降低至24.8%和9.3%，回流量分別降低至0.128 kg/s和0.048 kg/s，從而大幅降低了進入冷凝器、低溫散熱器和發動機散熱器的空氣溫度，為提升熱管理系統性能提供有效措施。