輕型卡車動力艙冷卻模塊CFD 性能仿真研究

于翰林

（201315 上海市 濰柴動力上海研發中心）

0 引言

為了不影響整車行駛性能，各大主機廠均進行發動機艙熱管理分析，防止艙內散熱情況惡化[1]。用傳統試驗方法檢驗發動機艙熱管理問題，不僅周期長、對人力和財力消耗較大，且過多依賴操作人員的工程經驗，存在重復操作、效率低等問題。借助虛擬發動機艙熱管理仿真分析，可以快速發現問題的根源，高效解決發動機艙熱管理問題，大幅縮短研發周期和減少試驗費用[2]。

輕型卡車機艙的熱管理主要是研究發動機艙冷卻系統的熱量交換及溫度控制，滿足機艙內關鍵零部件的安全性與可靠性，并優化車輛的燃油經濟性及排放性能[3]。

1 數學模型

本文考慮輕型卡車各工況長時間行駛，處于穩定狀態，因此采用穩態分析方法，連續方程、動量方程及能量方程均與時間無關[4]。

連續方程：

動量方程：

能量方程：

式（2）中，μi的i取1、2、3 分別代表x、y、z三個方向；z方向因重力原因S1、S2為0，S3=ρg。氣體溫度影響密度變化，故采用理想氣體，氣體狀態方程[5]為

式中：P——壓力；Rg——氣體常數，0.287 J/(kg·K)。

2 計算模型

2.1 幾何模型

對輕型卡車三維幾何特征進行前處理，提取駕駛室、發動機、底盤、排氣、冷卻等系統表面特征，進行幾何處理和面網格劃分[6]。要求模型能完整表達各子系統表面細節特征，尤其細化冷卻模塊、后視鏡、進氣格柵、導流罩等對流體及熱影響較大的部件特征。然后將處理后的模型導入流體軟件，依據整車長寬高規格匹配適合的長方體數值風洞空間[7]。采用流體軟件中多面體單元對整車模型進行域網格劃分，散熱芯體視為多孔介質，設定阻尼，設定與空氣的熱交換性能，其他部分視為流體域，模型總網格數為2 685 萬個。熱管理分析模型如圖1 所示，冷卻模塊關鍵部件幾何參數如表1 所示。

表1 輕型卡車冷卻模塊關鍵部件幾何參數表Tab.1 Geometric parameters of key components of light truck cooling module

圖1 輕型卡車整車熱管理分析模型Fig.1 Thermal management analysis model of light truck

2.2 邊界條件

模型邊界條件路面設置為開放路面，進口邊界設置風速入口，出口邊界為標準大氣壓，模擬風洞的左右側及頂面為滑移壁面，設置行車速度為參數值的移動地面，地面布局區域設定摩擦性能，輕型卡車輪胎為旋轉輪胎[8]。

冷卻模塊的散熱器、中冷器、冷凝器為多孔介質，設定阻尼，阻尼計算公式為

式中：ΔP——風阻；ΔL——厚度；v——風速；Pi——慣性阻力系數；Pv——粘性阻力系數[9]。

2.3 工況參數

計算輕型卡車額定功率工況、大扭矩工況下散熱器進出水溫度及中冷器熱側進出氣溫度，若滿足性能要求，則冷卻系統的散熱性能滿足要求。各工況輸入參數如表2 所示，其中，冷卻液為50%乙二醇溶液。

表2 輕型卡車各工況輸入參數表Tab.2 Input parameters of light truck under various working conditions

3 計算分析

輕型卡車發動機冷卻系統溫度目標值：上水室進水溫度≤105 ℃，中冷后溫度≤72 ℃，中冷溫升≤30 ℃[10]。計算額定功率、大扭矩工況下散熱器進出水溫度、中冷熱測進出氣溫度及中冷溫升等數據，結果如表3 所示。

表3 輕型卡車各工況計算結果Tab.3 Calculation results of light truck under various working conditions

3.1 額定功率工況分析

額定功率工況條件下，車速為17.2 km/h，冷卻模塊進氣主要靠風扇吸風。冷凝器四周存在熱回流，高溫出風氣流又繞回到了冷凝器前端，導致進氣溫度較高，冷凝器高溫出風吹向中冷器。冷卻模塊兩側存在熱回流，散熱器高溫出風氣流從冷卻模塊與車架之間的間隙回到冷卻模塊前端。散熱器周圍增加了密封海綿，散熱器上下兩端無明顯熱回流。由于風扇與護風圈之間的間距較大，在護風圈的邊緣位置會有散熱器的出風氣流從散熱器背面流向正面。機艙區域Y=0 mm、Z=200 mm 處截面的流場及溫度場狀態如圖2、圖3 所示。

圖2 機艙區域Y=0 mm 截面速度云圖Fig.2 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

圖3 機艙區域Z=200 mm 截面溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器進風面速度和溫度分布云圖如圖4 所示，其中九宮格溫度測量位置距入口面0.5 mm，從圖4 可以看出，冷凝器上下端風速較小、溫度較高，是因為冷凝器的護風圈沒有完全覆蓋冷凝器，導致其上下端有明顯熱回流，高溫出風氣流又回流到了冷凝器前端。

圖4 冷凝器進風面速度、溫度云圖Fig.4 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

中冷器入口面速度和溫度分布云圖如圖5 所示，由于冷凝器高溫出風氣流吹向中冷器和中冷器兩側存在熱回流，中冷器入口面右上方進風溫度較高。

圖5 中冷器進風面速度、溫度云圖Fig.5 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

散熱器入口面速度和溫度分布云圖如圖6 所示。受中冷器熱側高溫氣流流向的影響，中冷器出口面的氣流溫度右側較高，因此在中冷器后方的散熱器入口氣流右側溫度較高。

圖6 散熱器進風面速度及溫度云圖Fig.6 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

3.2 大扭矩工況分析

大扭矩工況條件下車速為8.6 km/h，冷卻模塊進氣主要靠風扇吸風。由于散熱器周圍增加了密封海綿，散熱器上下兩端沒有明顯熱回流。風扇與護風圈之間的間距較大，在護風圈邊緣位置會有散熱器的出風氣流從散熱器背面流向正面。機艙區域Y=0 mm、Z=200 mm 處截面的流場及溫度場狀態如圖7、圖8 所示。

圖7 機艙區域Y=0 mm 截面速度云圖Fig.7 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

圖8 機艙區域Z=200 mm 截面溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器進風面速度、溫度云圖如圖9 所示，其中九宮格溫度測量位置距入口面0.5 mm。從圖9可以看出，冷凝器上下端風速較小、溫度較高，是因為冷凝器的護風圈沒有完全覆蓋冷凝器，使得冷凝器上下端出現了明顯的熱回流。

圖9 冷凝器進風面速度、溫度云圖Fig.9 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

受中冷器熱側高溫氣流流向的影響，中冷器出口面的氣流溫度較右側高，因此在中冷器后方的散熱器入口氣流右側溫度較高。中冷器入口面速度和溫度分布云圖如圖10 所示。

圖10 中冷器進風面速度、溫度云圖Fig.10 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

由于機械風扇位置較高，散熱器上端進風速度比下端快，受中冷器熱側高溫氣流流向影響，散熱器入口面右側溫度較高。散熱器入口面速度和溫度分布云圖如圖11 所示。

圖11 散熱器進風面速度及溫度云圖Fig.11 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

綜上，額定功率工況的散熱器上水室溫度和中冷后溫度均低于限值，滿足目標要求；大扭矩工況的中冷后溫度低于限值，但散熱器上水室溫度超出限值，不滿足目標要求。

4 優化方案

（1）拉伸冷凝器風扇護風圈，即加高冷凝器護風圈，使護風圈能夠完全覆蓋冷凝器，以減少冷凝器上下端熱回流；

（2）在冷凝器與中冷器之間增加擋板，即在車架上增加擋板，同時增加冷凝器上方護板，以減小冷凝器高溫出風氣流直接流向中冷器；

（3）在冷卻模塊與車架之間即在中冷器兩側增加密封海綿，以減少中冷器兩側熱回流；

（4）更換高效率風扇，即減小風扇與護風圈之間的間隙，降低到10 mm 以下，以提高風扇吸風性能，風扇速比調至1.21，提升風扇轉速，或者更換吸風能力更強的風扇，以提升散熱器進風量。

5 優化計算

經過優化計算，額定功率工況、大扭矩工況散熱器上水室溫度和中冷后溫度均低于限值，滿足項目目標要求，各工況計算結果如表4 所示。

表4 輕型卡車各工況計算結果Tab.4 Calculation results of light truck under various working conditions

額定功率工況中，拉伸了冷凝器風扇護風圈，上下兩端的進風速度提高，入口面溫度有所下降，中冷器進氣速度有所提高，進氣溫度有所下降。冷凝器、中冷器的進風面速度、溫度如圖12、圖13所示。

圖12 冷凝器進風面速度、溫度云圖Fig.12 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

圖13 中冷器進風面速度、溫度云圖Fig.13 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

大扭矩工況中，在冷凝器與中冷器之間增加擋板，增加散熱器兩側與車架之間的密封海綿，較之優化前模型減少了冷卻模塊兩側的熱回流，散熱器進氣溫度也降低，如圖14 所示。

更換高效率風扇后，吸風能力增加，散熱器前端熱回流有所減少，中冷器進風溫度明顯降低；增加散熱器與車架之間的密封海綿，冷卻芯體進風溫度有所降低。如圖15 所示。

圖15 冷卻芯體進風溫度云圖Fig.15 Cloud picture of inlet air temperature of cooling core

6 結論

基于整車模型及流體熱力學理論建立發動機艙冷卻系統仿真模型，分別設置邊界條件，計算得到額定功率、大扭矩工況下的冷卻芯體熱側及冷側進出口速度、溫度。進行結構改進后再次計算，各項指標符合評價標準，冷卻系統的散熱性能大大提升，為發動機冷卻系統集成匹配優化開發提供技術支持，可大大減少試驗頻次，節省成本，縮短開發周期。