重型牽引車發動機艙的熱管理仿真優化

摘要：以某款重型牽引車發動機艙為研究對象，建立了三維整車仿真分析模型，并對發動機艙的流場進行分析。針對原方案存在熱風回流嚴重、散熱器風速不均勻及風扇流量不足的問題，提出了增加熱風回流擋板、改用環形風扇等改進措施。結果表明：經過仿真分析，優化措施改善了發動機艙內流場，解決了冷卻常數不滿足要求的問題，達到了預期的換熱效果；試驗結果與仿真分析結果一致，驗證了仿真計算結果的準確性。

關鍵詞：發動機艙；熱管理；熱平衡；熱風回流；仿真優化

0 前言

隨著發動機功率的不斷提升，對其冷卻系統提出了越來越高的要求。發動機通過冷卻系統與冷卻空氣進行熱交換，把多余的熱量帶走，使水溫、油溫保持在合理范圍內，因此發動機艙內的空氣流動對冷卻系統有著重要影響。

本文以某款牽引車為研究對象，建立三維整車仿真分析模型，對發動機艙的流場進行分析后得出，目前的方案存在熱風回流嚴重、散熱器風速不均勻及風扇流量不足的問題。針對這些問題提出了增加熱風回流擋板，改用環形風扇等改進措施，并通過試驗驗證仿真計算結果的準確性。

1 計算模型搭建

本文采用Simcenter STAR-CCM+ 軟件建立計算模型。通過該軟件的包面功能，可以快速得到流體的拓撲封閉區域。

發動機艙內的主要零件有冷凝器、中冷器、散熱器、護風罩、風扇、發動機、冷卻系統管路、進氣系統和傳動系統等。在計算中保留了全部的零件，沒有簡化，以保證計算的準確性。

用一個長方體包裹整車形成計算域，寬度為車長的6 倍，高度為車長的5 倍，車頭距離前端4 倍車長，車尾距離后端6 倍車長，如圖1 所示。

計算工況為全負荷低速爬坡工況，設定入口風速為7 m/s，出口為壓力邊界，相對壓力為0。

由于中冷器和散熱器結構復雜，翅片的尺寸較小，難以劃分網格，所以在計算中采用多孔介質模型對二者進行計算。對于換熱部分，采用STARCCM+雙流換熱模型。該換熱模型可以分別對冷側和熱側進行求解，冷側定義為空氣，熱側定義為冷卻液［1］。

風扇模擬主要有多參考系（MRF）模型、滑移網格（SMM）和等效模型等。MRF 模型可以實現風扇旋轉的穩態求解，不需要耗費巨大的計算資源，在發動機艙計算中MRF 模型的精度可以滿足要求［2］。綜合考慮計算效率和精度，本文采用MRF模型對風扇進行模擬。

2 計算結果及分析

2. 1 原方案分析

圖2 為發動機艙中間豎直平面，即過風扇中心的豎直平面的溫度分布。從圖2 可以看出，風扇后的熱風經過散熱器頂部回到冷卻模塊前，形成熱風回流。圖3 為發動機艙水平面的溫度分布。從圖3可以看出，風扇后的熱風撞擊到擋泥板后從兩側回到冷卻模塊前，形成熱風回流。散熱器后的空氣溫度超過110 ℃，說明此時冷卻空氣的流量過低，風扇的性能不滿足要求。

圖4 為散熱器空氣流速分布。從圖4 可以看出，散熱器頂部的空氣流速較高，底部的空氣流速較低，風速不均勻造成散熱器的換熱效率降低。主要原因在于風扇的布置偏上，風扇與散熱器的距離過近，造成散熱器底部出風不通暢，如圖5 所示。

2. 2 優化方案的確定

根據原方案的計算結果，原方案存在熱風回流嚴重、散熱器風速不均勻及風扇流量不足的問題。采用增加熱風回流擋板、改用環形風扇等措施對原方案進行優化。具體優化方案見表1。

方案1、方案2 的模型分別如圖6、圖7 所示。

2. 3 優化方案計算結果

方案1～3 的中間豎直平面溫度分布如圖8～圖10 所示。對比圖2 和圖8 可以看出：在散熱器頂部增加擋板后，散熱器頂部的熱風回流減少，頂部進風溫度降低。

方案1～3 的水平面溫度分布如圖11～ 圖13所示。對比圖3 和圖12 可以看出：使用開口風扇后，環形風扇出風角度更偏向后方，避免了流體與擋泥板直接撞擊，造成熱風回流，因此方案2 和方案3 的熱風回流相對原方案降低；方案2 和方案3的風扇流量更大，過散熱器后的空氣溫度更低。

方案1～ 方案3 的散熱器空氣流速云圖如圖14～16 所示。對比圖4、圖15 和圖16 可以看出：方案2 和方案3 散熱器底部的空氣流速增加，改善了散熱器空氣流速的均勻性，提升了換熱器的換熱效率。

目前，行業內一般用冷卻常數來表示發動機冷卻系統的冷卻能力。冷卻液的冷卻常數是指發動機熱平衡時，冷卻液出口溫度與環境溫度的差值。冷卻常數越小，說明冷卻能力越強，發動機的散熱效果越好。表2 為各方案的參數計算結果。

由表2 可知，原方案的冷卻常數為72.8 K，不滿足要求。方案1 在原方案基礎上增加了散熱器頂部的擋板后，冷卻常數降低了5.0 K。方案2 改用環形風扇后，風扇的流量提升，冷卻常數降低了15.0 K。方案3 綜合采用方案1 和方案2 的優化措施后，冷卻常數相對原方案降低了19.1 K。因此，方案3 的效果最優。綜合考慮后采用方案3 作為批產方案。

3 試驗驗證

在整車試驗臺架上進行整車熱平衡試驗，如圖17 所示。通過測功機連接到傳動軸，并操控測功機對整車增加負載來模擬道路工況。圖18 為計算結果和試驗結果的對比。由圖18可知，冷卻常數的計算結果和試驗結果差異在2 K以內，滿足設計精度要求。

4 結語

本文以某款牽引車為研究對象，建立三維整車仿真分析模型。針對原方案存在熱風回流嚴重、散熱器風速不均勻及風扇流量不足的問題，提出了增加熱風回流擋板、改用環形風扇等優化措施。原方案的冷卻常數為72.8 K，不滿足要求，最終方案3 的冷卻常數為53.7 K，相對原方案降低了19.1 K。優化措施改善了發動機艙內的流場，解決了冷卻常數不滿足要求的問題，達到了預期的換熱效果。經過試驗驗證，試驗結果與計算結果一致，驗證了計算結果的準確性。

參考文獻

［ 1 ］ 陳存福. 某商用車發動機艙熱管理仿真分析與試驗研究[J]. 汽車技術，2020（2）：47-52.

［ 2 ］ 彭瑋. 動力艙熱管理系統關鍵部件建模仿真方法研究[D]. 濟南：山東大學，2018.