基于一維/三維耦合分析的某MPV整車熱管理分析與優(yōu)化

胡錫挺

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場競爭也日益激烈，對汽車的性能有了更高要求。成本低效率高的仿真手段普遍應(yīng)用到車輛的設(shè)計研發(fā)中。其中整車發(fā)動機艙內(nèi)布置零部件較多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，發(fā)動機在艙內(nèi)形成高溫環(huán)境，容易會影響其他部件性能。艙內(nèi)各部件的布置不合理會導(dǎo)致發(fā)動機等熱源部件在局部形成過熱環(huán)境，使部分零部件性能下降，發(fā)生失效、自燃等影響整車的可靠性能、安全性能。所以，為了保證汽車高效可靠運行，在車輛設(shè)計開發(fā)前期，對發(fā)動機艙的熱管理系統(tǒng)研究，進行合理的設(shè)計以及布置是非常重要的[1]。

通過一維/三維結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用，以某MPV的發(fā)動機艙為研究對象，分析零部件的熱害以及匹配冷卻散熱模塊，通過結(jié)果分析，評估風險并提出優(yōu)化方案以及再次仿真分析，最后通過臺架進行熱平衡試驗，驗證仿真優(yōu)化結(jié)果。

1 模型建立及分析

1.1 三維模型建立與機艙流場分析

發(fā)動機艙熱管理的主要分析對象為其艙內(nèi)的零部件,為了提高效率,清除不必要的特征，刪掉了乘員艙的零部件[2]，嚴格控制好幾何邊界。同時，為了真實反映氣流在發(fā)動機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件下的流動特性，需要盡可能保證機艙內(nèi)的零部件功能正常發(fā)揮，本研究最大限度保留原有各零部件完成模型，如圖1、2所示。從分析角度考慮，需要對冷卻模塊進行一定的簡化，芯體部分使用方體替換；在建立三維仿真計算域時，虛擬風洞的阻塞效應(yīng)和洞壁干擾對計算結(jié)果的影響不能忽略，應(yīng)同步考慮[3]，通過在star ccm+建立計算域（圖3），生成網(wǎng)格并完成計算。

圖1 整車3D模型1

圖2 整車3D模型2

圖3 計算域示意圖

主要仿真模擬怠速、爬坡和高速3個工況，簡化的冷卻模塊設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，風扇使用MRF模型進行模擬，完成計算得到如圖4至圖6的結(jié)果。

圖4 中冷器風速分布圖

圖5 冷凝器風速分布圖

圖6 散熱器風速分布圖

圖4至圖6是冷卻模塊表面的在各個工況下的風速分布圖，平均風速見表1。主要受到冷卻系統(tǒng)的排布以及艙內(nèi)布置位置的影響，對風速的分布情況的掌握才能合理布置艙內(nèi)各個系統(tǒng)部件。

表1 冷卻系統(tǒng)的平均風速（m/s）

計算得到的冷卻模塊各部件的風量分配（表2）為進一步分析提供了數(shù)據(jù)。

表2 冷卻系統(tǒng)的風量情況（m3/s）

1.2 整車一維仿真

按圖7的原理一維冷卻系統(tǒng)原理建立仿真模型，主要計算了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一些宏觀參數(shù)，包括冷卻部件的散熱功率、平衡水溫、冷卻液流量及分布、風的溫度等；根據(jù)表2的風量分布情況，結(jié)合格柵開口率為16.1%，分析冷卻系統(tǒng)性能。結(jié)果見表3。在怠速、爬坡、高速3種工況下系統(tǒng)平衡水溫分別為79.48℃、111℃、103.6℃。冷卻系統(tǒng)各零部件冷卻液流量分配見表4，在怠速工況，系統(tǒng)的流量為6.5 L/min，按照經(jīng)驗，系統(tǒng)在怠速工況下的流量一般在20 L/min左右，所以此工況下系統(tǒng)流量偏小。在爬坡和高速工況下，節(jié)溫器全開，而根據(jù)經(jīng)驗，暖風芯體在節(jié)溫器全開時，通過的水量是總量的10%~20%，從表4中數(shù)據(jù)可以看出，通過暖風機的水量基本合理。表5為通過、中冷器、冷凝器、散熱器后的空氣溫度情況，由數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)生的最高溫度是爬坡工況下通過散熱器后的空氣溫度103.5℃，散熱器的出風溫度合理。

表3 各工況下的平衡水溫

表4 各部件的水流量

圖7 冷卻原理圖

表5 冷卻系統(tǒng)各部件后風溫

2 整車三維熱害分析及優(yōu)化

通過以上分析可知，汽車行駛中溫度比較惡劣的情況出現(xiàn)在爬坡工況，因此分別模擬了40 km/h、120 km/h兩種車速下的爬坡工況，使用臺架數(shù)據(jù)以及一維仿真結(jié)果作為輸入條件參數(shù)，通過三維仿真，分析發(fā)動機艙內(nèi)的溫度場情況，對存在熱害的零部件提出優(yōu)化方案，再次仿真計算，得到優(yōu)化后結(jié)果。

通過計算得到艙內(nèi)各零部件的三維溫度場分析結(jié)果見表6，由表中數(shù)據(jù)可知，超溫情況主要發(fā)生在低速爬坡工況，前圍制動油管及管夾、發(fā)動機線束、暖風水管以及空調(diào)管部件等表面溫度超過極限溫度。

結(jié)合表6，由圖8可知，在爬坡工況下前圍制動油管及管夾表面的溫度達到了133℃，不滿足其許用最高極限溫度120℃，存在熱害風險，從溫度分布位置可判斷制動油管表面的高溫來自于排氣系統(tǒng)的輻射。由圖9可知，發(fā)動機線束表面溫度達到135℃，超過了其許用溫度100℃，存在熱害風險，結(jié)合周圍空氣溫度分布情況分析，主要受到排氣管的輻射導(dǎo)致局部超溫。由圖10可知，暖風水管表面溫度達到138℃，超過了其許用溫度130℃，存在熱害風險，從溫度分布知表面熱源來自周圍空氣換熱以及排氣管輻射。由圖11可知，空調(diào)管局部表面溫度超過了其許用溫度110℃，達到153℃，存在熱害風險。

表6 三維熱害分析結(jié)果

圖8 前圍制動油管及管夾表面溫度分布

圖9 發(fā)動機表面溫度分布

圖10 暖風水管表面溫度分布

圖11 空調(diào)管表面溫度分布

3 優(yōu)化方案

根據(jù)三維溫度場的分析結(jié)果，對超溫部件做出優(yōu)化方案（圖12至圖15），避免發(fā)生整車熱害風險：

（1）對前圍制動油管及管夾表面超溫部位包覆鋁箔，以降低熱輻射的影響。

（2）發(fā)動機兩側(cè)線束表面高溫來自排氣管高溫輻射，在渦輪增壓上方增加隔熱罩，同時對發(fā)動機線束的位置重新布置或者局部包覆鋁箔。

（3）在暖風水管局部位置包覆鋁箔可以達到排除熱害的目的。

（4）由于空調(diào)管表面的高溫氣體主要來自于流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的熱空氣，對高溫局部表面包裹鋁箔，隔絕外部氣溫的影響，可達到降溫目的。

圖12 前圍制動油管及管夾溫度分布

圖13 發(fā)動機線束表面溫度分布

圖14 暖風水管表面溫度分布

圖15 空調(diào)管表面溫度分布

由表7可知，經(jīng)優(yōu)化后前圍制動油管及管夾、發(fā)動機線束、暖風水管、空調(diào)管等存在熱害風險的零部件的最高極限溫度，降低到了許用最高極限溫度范圍內(nèi)，可以認為優(yōu)化后方案滿足整車熱管理要求。

表7 優(yōu)化前、后的結(jié)果對比

4 熱平衡試驗及試驗仿真結(jié)果對比

為了檢測實際工況下整車各零部件的工作溫度范圍，本次利用試驗樣車開展了相應(yīng)的環(huán)境模擬的熱平衡試驗，同時驗證整車冷卻散熱能力是否滿足要求，以及仿真結(jié)果的可行性，避免整車發(fā)生熱害風險影響汽車性能。樣車在環(huán)模模擬實驗室分別以三種工況（怠速、勻高速和爬坡）進行試驗（圖16至圖18）。爬坡：環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，試驗車以二擋（手動擋）或者40 kph的車速爬10%坡，水溫達到平衡或者30 min后，熄火靜置，所有測點溫度不再上升后記錄發(fā)動機水溫和各零部件溫度。怠速：在45℃的環(huán)境下，以50 km/h車速行駛20 min后停車，怠速運行至水溫平衡后熄火靜置，所有測點溫度不再上升后記錄發(fā)動機水溫和各零部件溫度。勻高速：在45℃的環(huán)境下以140 km/h車速至水溫平衡或者30 min后熄火靜置，所有測點溫度不再上升后記錄下發(fā)動機的水溫和各零部件溫度。圖19所示是爬坡工況的發(fā)動機水溫曲線，浸置后水溫平衡至111℃，滿足發(fā)動機限值要求。

圖16 試驗室布局

圖17 試驗臺架

圖18 發(fā)動機周圍布置

圖19 爬坡工況發(fā)動機水溫曲線

實車熱平衡試驗部分零部件試驗值見表8，試驗數(shù)據(jù)為前期仿真結(jié)果提供了驗證依據(jù)，從試驗結(jié)果跟仿真結(jié)果的對比上看，仿真結(jié)果值與試驗結(jié)果值一致性較高，可見，一維與三維耦合分析方法是可行的。

表8 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

（1）利用仿真軟件，通過分析在設(shè)計前期預(yù)測散熱風險的存在，并進行了優(yōu)化，對優(yōu)化后的整車進行熱平衡試驗，通過數(shù)據(jù)對比表明，在爬坡工況下發(fā)動機的平衡水溫111℃，滿足了設(shè)計要求，優(yōu)化的方案的有效果，可以達到降低零部件熱害風險目的。

（2）在設(shè)計開發(fā)階段，使用一維/三維仿真分析方法可以預(yù)測機艙的溫度情況，有利于整車冷卻散熱模塊的性能匹配，合理布置各系統(tǒng)，有效規(guī)避熱害風險。

（3）通過仿真分析跟樣車試驗對比的結(jié)果，驗證了一維/三維仿真手段的可靠性和精確度，在設(shè)計開發(fā)階段合理應(yīng)用可以縮短開發(fā)周期，降低成本，提高工作效率。