轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真

1、轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真The Simulation of vehicle Underhood Thermal Management付杰 羅標(biāo)能（奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院CAE部）摘要：本文運(yùn)用STAR-CD軟件對(duì)一款轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)分析結(jié)果找到解決問題的主要方向，從幾種改進(jìn)方案中優(yōu)選出效果好的方案，結(jié)合實(shí)際情況制定了試驗(yàn)方案，最后的試驗(yàn)方案效果良好，滿足了溫度場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。關(guān)鍵詞：熱管理, 熱源, 熱保護(hù)Abstract: Numerical simulation of underhood thermal management is conducted by

2、 using STAR-CD code。Simulation helps engineers find the major improvement methods, and is very helpful to choose the most efficient method. The final according CFD to analysis can fulfill the test criteria.Key words: thermal management, heat source, heat shield1 前言在緊湊型轎車上，發(fā)動(dòng)機(jī)一般位于散熱器后一個(gè)半封閉的艙內(nèi)，由于散熱器、發(fā)

3、動(dòng)機(jī)本身和排氣歧管等多個(gè)高熱源布置在一個(gè)狹小的空間內(nèi)，散熱比較困難，較高的溫度會(huì)影響熱源附近的溫度敏感部件（如艙內(nèi)線束、橡膠件、電子設(shè)備等）的性能，溫度過高時(shí)甚至?xí)p壞這些部件。而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率加大，排放要求的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件變得越來越模塊化，布置也越來越緊湊，為了美觀需要，很多裝飾蓋板放在艙內(nèi)，這都給發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱管理帶來更大的挑戰(zhàn)。單純靠試驗(yàn)來解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱管理問題，難度比較大，費(fèi)用高，周期長(zhǎng)。運(yùn)用CFD仿真和試驗(yàn)相結(jié)合得到的信息多，分析問題準(zhǔn)確有效，時(shí)間短，費(fèi)用比較低。本文運(yùn)用STAR-CD軟件對(duì)某款轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，從幾種方案中找出一種最有效可行的方案，試驗(yàn)結(jié)果

4、表明該方案對(duì)解決問題有比較好的效果。2 問題描述某款車型配備新的發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該車在40km/h車速，12%坡度時(shí)，傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向機(jī)的橡膠套溫度超過允許溫度幾十?dāng)z氏度，而且在整車磨合過程中這些部位出現(xiàn)過橡膠套烤壞現(xiàn)象。初步分析主要是由于傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向機(jī)的橡膠套離高溫?zé)嵩磁艢夤芪恢锰麄€(gè)排氣管附近溫度都比較高，橡膠套被高溫烤壞。3 CFD分析3.1 模型的建立 圖1發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端模型 圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)模型整個(gè)熱管理分析的模型包括：整個(gè)車身外部、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、蓄電池、底盤系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等影響前艙空氣流動(dòng)的主要部件，模型如圖1、2所示。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙面網(wǎng)格

5、的處理，在進(jìn)氣格柵、前端冷卻模塊等對(duì)進(jìn)氣影響比較大的部件做了細(xì)化處理，對(duì)于車身外部、后部等對(duì)氣流影響小的位置做了簡(jiǎn)化處理，控制面網(wǎng)格的總體數(shù)量。最后生成的體網(wǎng)格主要在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，一共生成了上千萬網(wǎng)格。3.2 邊界條件將檢查無誤的體網(wǎng)格模型導(dǎo)入到STAR-CD中，入口速度選用11.1m/s，與出現(xiàn)問題的工況相同，對(duì)于散熱器和冷凝器、中冷器等比較復(fù)雜部件采用多孔介質(zhì)進(jìn)行處理，風(fēng)阻系數(shù)等參數(shù)由單件試驗(yàn)得到，風(fēng)扇采用MRF方法，轉(zhuǎn)速采用該工況下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。溫度計(jì)算時(shí)采用與試驗(yàn)相同的45度，在散熱器、冷凝器、發(fā)動(dòng)機(jī)本體和排氣管的熱源部位根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果加上溫度邊界條件。4 計(jì)算結(jié)果4.1 原狀態(tài)流場(chǎng)分析結(jié)果

6、對(duì)原車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析得出：從進(jìn)氣格柵流入的空氣由于發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的阻礙，到傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向機(jī)附近的風(fēng)速很小，從圖3、4可以看出，速度基本上在2m/s左右，散熱作用很小，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的溫度很高。 圖3 Y=240發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)速度矢量圖 圖4 Y=240處發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)速度云圖從圖3、4矢量圖可以看出，前艙底部沒經(jīng)過散熱器的空氣，風(fēng)速較大而且溫度不高，可以考慮從前艙底部加導(dǎo)流板，將這部分風(fēng)速較大的風(fēng)導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)后面的排氣管附近，通過冷風(fēng)散熱；另外，也可以減少?gòu)陌l(fā)動(dòng)機(jī)上部流過的風(fēng)的阻力，將這股氣流更順暢的流向高溫區(qū)域，如圖3中的黑色箭頭所示的導(dǎo)風(fēng)方向。4.2 幾種改進(jìn)方案流場(chǎng)分析結(jié)果考慮到前艙布置困難和改動(dòng)成本

7、等問題，確定了從發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部導(dǎo)風(fēng)的方案。分別對(duì)每種方案的流場(chǎng)情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合溫度場(chǎng)分析的結(jié)果，選擇效果好可實(shí)施的方案。 (a)方案1速度矢量圖 (b)方案2速度矢量圖 (c)方案3速度矢量圖 (d)方案4速度矢量圖 (e)方案5速度矢量圖 (f)方案6速度矢量圖 圖5 Y=169切面圖切面速度矢量圖(a)方案1溫度云圖 (b)方案2溫度云圖 (c)方案3溫度云圖 (d)方案4溫度云圖 (e)方案5溫度云圖 (f)方案6溫度云圖圖6 Y=169切面圖切面溫度云圖這些改進(jìn)方案主要從導(dǎo)風(fēng)板的導(dǎo)風(fēng)方向來考慮的，開始考慮的三種導(dǎo)風(fēng)方案不理想，沒能把底部的風(fēng)有效的導(dǎo)入到高溫區(qū)域，后三種方案是對(duì)前面幾

8、種方案的優(yōu)化。從分析結(jié)果來看，方案4、5、6更有效，能把發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的冷風(fēng)有效導(dǎo)入到傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向機(jī)的溫度敏感區(qū)域，降溫效果比較好。 5 問題的解決綜合考慮CFD分析結(jié)果和安裝、成本等情況，決定采用導(dǎo)風(fēng)和熱保護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行試驗(yàn)。選用方案4的導(dǎo)風(fēng)裝置，對(duì)傳動(dòng)軸導(dǎo)風(fēng)，并在轉(zhuǎn)向機(jī)位置加上隔熱罩，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)橡膠套進(jìn)行熱保護(hù)。試驗(yàn)效果比較好，傳動(dòng)軸溫度降低了20多度，轉(zhuǎn)向機(jī)溫度降低了70多度，這兩個(gè)部件都能夠滿足溫度場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從該發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的分析改進(jìn)過程可以看出，CFD分析在解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理問題方面作用明顯。能夠從穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)結(jié)果分析出，排氣管附近區(qū)域的風(fēng)速較小，散熱效果差；根據(jù)分析結(jié)果，找出

9、改進(jìn)設(shè)計(jì)的基本方法，確定以下部導(dǎo)風(fēng)為主；根據(jù)改進(jìn)思路制定幾種方案，經(jīng)過CFD分析找出比較有效的方案；最終結(jié)合分析效果和實(shí)施情況確定最終試驗(yàn)方案，降低的溫度敏感區(qū)域的溫度，達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。6 結(jié)論溫度場(chǎng)計(jì)算是在流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定之后進(jìn)行的，只考慮對(duì)流換熱傳遞熱量，由于缺少相關(guān)材料的熱屬性，沒有考慮熱輻射和熱傳導(dǎo)的情況，而且缺少相關(guān)熱源比較準(zhǔn)確的溫度邊界條件，溫度場(chǎng)分析的精度有待于提高。但是，這種簡(jiǎn)化的溫度場(chǎng)分析可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地找出最優(yōu)方案。該案例是在整車開發(fā)后期總體布置和主要部件確定的情況下進(jìn)行的，整個(gè)改進(jìn)的空間比較小，解決問題的難度大，花費(fèi)的成本較高。這就要求CFD分析在開發(fā)的初始階段預(yù)測(cè)到出現(xiàn)問題的區(qū)域，預(yù)防問題的出現(xiàn)，這也是今后分析工作的方向。5 參考文獻(xiàn) 1 Wei Ding, Aerodynamic drag of enginecoolin