低速爬坡工況排氣熱害耦合分析

王心宇，耿勝民

（北京希艾益科技有限公司，北京 100076）

1 模型介紹

使用三維流體仿真分析軟件與輻射分析軟件中模型如下：

1.1 實驗

基于某1.5T SUV低速爬坡工況，熱平衡試驗在卡達克熱環境艙進行，車速：40km/h，坡度：7%，環境溫度：40℃，風扇轉速：2400r/min。轉鼓試驗：將車固定在轉鼓工作臺上，固定前拖車鉤，對于前驅車輛固定后輪，前輪下的轉鼓用于添加阻力。車前風機用于模擬風速。采用K型熱電偶測量排氣系統溫度，K型熱電偶使用溫度：-200～1300℃，采用 T型熱電偶測量周邊零部件溫度，T型熱電偶使用溫度-200～350℃。

1.2 三維流體分析模型

利用三維流體分析模型計算對流換熱系數，在三維流體分析軟件中建立風洞計算域用于模擬卡達克熱環境艙，計算域模型長 65m，寬 14m，高 6m。入口設置為速度入口，速度為40km/h，出口為壓力出口[1]，車底地面區域設置為移動地面，移動地面速度與車速大小相等且與車的運動方向相反[2]，用于模擬下車體流場。保留機艙線束，制動管線，冷卻管路，并進行網格細化，排氣系統及周邊零部件如：吊耳、隔熱罩等進行網格細化。對發動機艙及排氣系統區域進行體網格加密處理，最終三維流體分析模型中體網格總數約為3400萬。風扇單獨劃分區域，采用旋轉坐標系方法模擬風扇旋轉，設置風扇恒定轉速2400r/min，散熱器、冷凝器劃分單獨區域，由于冷卻模塊 CAD數據沒有翅片等詳細結構，即使有數據處理起來也比較復雜，如果采用數據中的模型，偏差過大，所以模型中采用多孔介質區域模擬冷卻模塊阻力特性[3]。為了更好的模擬氣體特性，空氣設置為理想氣體。

圖1 輻射分析模型

圖2 流體分析模型

圖3 熱環境倉

圖4 三維流體計算模型

1.3 熱輻射分析模型

使用某輻射軟件計算熱輻射、熱傳導，使用三維流體分析軟件計算對流換熱， 熱輻射計算模型與流體分析模型耦合9次后溫度差＜1℃，停止耦合計算。最終仿真值與實驗值接近，由于測點位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差，部分測點位置溫度差值較大。

圖5 輻射模型中排氣系統溫度

排氣系統布點時：催化器附近布置監測點應密集一些，該處溫度變化較大。前消音器至后消音器位置可以減少布置監測點數量，該處溫度變化較小。

表1 輻射模型中排氣系統溫度值

2 仿真分析結果

三維流體計算模型中計算對流化熱系數作為輻射計算模型的邊界條件，輻射模型中計算得出表面溫度作為三維流體計算模型的邊界條件[4]，輻射計算模型與流體計算模型耦合9次后溫度差值＜1℃，終止耦合計算，提取最終計算結果，后消音器后吊耳溫度云圖如下圖，計算結果與實驗值對比如下表：

表2 測點溫度實驗值與仿真值對比

由于輻射模型中未對發動機、變速器等添加表面溫度，導致發動機周邊零部件測點溫度仿真值低于實驗值，在合理范圍內，比如：水箱上水管、水箱下水管、發電機表面、發動機下懸置、發動機上蓋正上、噴油嘴線束2缸、點火線圈線束2缸等。

圖6 后消音器后吊耳表面溫度

下車體部分位置由于測點位置偏差，部分零部件位置，實驗值與仿真值溫度相差較大，如：后消音器后位置仿真值與實驗值相差較大。由于測點位置偏差，導致球籠防塵罩部分測點位置實驗值與仿真值相差較大。

為了更清晰地看出仿真值與實驗值的差異，將仿真值與實驗值的溫度對比表格做成柱狀圖如下：

圖7 測點溫度實驗值與仿真值對比

表中前部分誤差較大位置主要是發動機變速器等未添加溫度邊界，表后半部分誤差較大位置是由于仿真測點位置與實驗測點位置偏差，比如球籠防塵罩位置，以及后消音器附近，后續繼續驗證。

圖8 測點溫度實驗值與仿真值誤差

3 結論

根據低速爬坡熱平衡實驗數據與仿真分析結果對比得出：

使用流體計算模型與輻射計算模型耦合分析計算底盤熱害，仿真值與實驗值接近，由于測點位置偏差、仿真模型誤差以及仿真本身誤差，部分測點位置溫度差值較大。比如球籠防塵罩、后消音器附近，后續繼續驗證。

使用流體計算模型與輻射計算模型耦合分析可以用于底盤熱害風險點預測以及超溫零部件整改。