摘 要：為了研究封閉部分格柵和加裝底護(hù)板對前端冷卻模塊性能的影響以及散熱器空氣側(cè)熱流場仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，建立了某排氣前置車型的詳細(xì)機(jī)艙熱管理分析模型，應(yīng)用多孔介質(zhì)模型和旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系(Moving Reference Frame，MRF)方法建立了換熱器和散熱風(fēng)扇的計算模型，對前端冷卻模塊空氣側(cè)流場和熱場進(jìn)行仿真并將部分仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。分析結(jié)果表明，封閉部分格柵和加裝底護(hù)板均能增加中冷器進(jìn)風(fēng)量;散熱器前風(fēng)速平均值、前部和后部的溫度平均值與試驗(yàn)值相比誤差均小于10%;考慮局部高溫輻射并與機(jī)艙熱流場的耦合模擬能大大提高熱分析精度。

　　關(guān)鍵詞：安全工程師職稱論文,發(fā)動機(jī)艙,熱管理,冷卻模塊,熱流場,熱輻射

　　Abstract：In order to study the influence of partly closing a grille and of adding an engine protection plate on the airflow performance for cooling， and also to present the correlationbetween experiment and the airside thermal fluid simulation of the radiator， a detailed model was built for underhood thermal management analysis， in which the porous media model and moving reference frame (MRF) method were applied to simulate the heat exchanger and the cooling fan. The airside thermal fluid simulation in the vehicle cooling module was performed and some results were compared with the experimental data. It is indicated that both partly closing a grille and adding an engine protection plate can increase the cooling airflow into the intercooler.The average values of the velocity magnitude in front of the radiator and the temperature on both sides are close to the test results with less than 10% errors. Considering the coupling between local thermal radiation and the underhood airflow field can greatly improve the accuracy of thermal analysis.

　　Key words：underhood; thermal management; cooling module; thermal fluid field; thermal radiation

　　汽車機(jī)艙布置日趨緊湊和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，使發(fā)動機(jī)艙熱管理在整車研發(fā)中越來越重要。傳統(tǒng)的汽車設(shè)計過程中，發(fā)動機(jī)艙前端模塊的散熱性能設(shè)計前期往往是采用經(jīng)驗(yàn)或工程評估的方法，對工程師的經(jīng)驗(yàn)依賴性大，產(chǎn)品后期通過風(fēng)洞試驗(yàn)來驗(yàn)證，出現(xiàn)問題時設(shè)計變更周期長且成本高。隨著數(shù)值分析和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)在汽車研發(fā)中的地位不斷提高。CFD方法具有成本低、快捷方便、周期短等特點(diǎn)，能獲得很多試驗(yàn)手段無法得到的細(xì)節(jié)信息[1]，逐漸成為與試驗(yàn)研究和理論分析具有同等地位的研究手段。

　　國外較早就利用CFD技術(shù)對發(fā)動機(jī)艙前端冷卻模塊流場和熱場進(jìn)行研究，美國通用公司楊志剛等人對前端冷卻模塊不同排列方式下的機(jī)艙流場和溫度場進(jìn)行了對比分析[2]。法國Valeo公司利用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩造型及前端模塊造型進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能[3]。LAN K. T.等人針對散熱器熱風(fēng)回流問題分析了前端導(dǎo)風(fēng)罩對散熱器空氣流速、壓力分布的影響[4]。國內(nèi)機(jī)艙熱管理方面的研究仍側(cè)重于試驗(yàn)和子系統(tǒng)的研究，對熱管理系統(tǒng)集成的研究較少[5]。近年來，為提高分析精度，一維和三維聯(lián)合仿真并考慮流固耦合、熱輻射等因素的研究方法成為機(jī)艙熱管理研究的新趨勢 [6-7]。

　　本文以排氣前置的某車型作為研究對象，建立了詳細(xì)的機(jī)艙熱管理分析模型，利用商業(yè)軟件STAR-CCM+分析了封閉部分格柵和加裝底護(hù)板對前端冷卻模塊進(jìn)氣的影響，然后將散熱器空氣側(cè)流場和熱場仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，最后將散熱風(fēng)扇局部熱輻射分析與機(jī)艙熱流場計算進(jìn)行耦合，提高了熱分析結(jié)果的精度。

　　1 研究方法和模擬理論

　　此外，機(jī)艙內(nèi)部形狀復(fù)雜，流動漩渦和分離現(xiàn)象明顯，應(yīng)按湍流來處理，本文中湍流輸運(yùn)方程選擇Realizable k-ε高雷諾數(shù)模型，其已經(jīng)被有效地用于各種類型的流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流，管道內(nèi)流動以及帶有分離的流動[9]。

　　1.2 計算模型

　　1.2.1 網(wǎng)格劃分策略

　　本文選用排氣前置的某車型作為研究對象，建立整車全尺寸模型，包括車身總成、機(jī)艙總成、底盤、動力總成、外飾件及機(jī)艙內(nèi)所有對流動計算有重要影響的部件，忽略少量小尺寸部件(如小管道、筋板等)。設(shè)整車長為L、寬為W、高為H，綜合考慮風(fēng)洞阻塞效應(yīng)[10]及硬件的計算能力，數(shù)值風(fēng)洞長、寬、高分別設(shè)置為12 L、6 W和6 H，具體為車頭前部4 L，車尾后部7 L，體網(wǎng)格在壁面拉伸生成3層邊界層網(wǎng)格，第1層的厚度滿足30　　本文研究對象的散熱風(fēng)扇采用同向旋轉(zhuǎn)的雙風(fēng)扇，風(fēng)扇采用MRF方法來模擬。MRF方法是一種穩(wěn)態(tài)計算方法，風(fēng)扇域網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動，而是通過將動量源加載到風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)掃過區(qū)域的網(wǎng)格。MRF方法能很好地平衡計算效率和結(jié)果精度，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

　　1.2.3 邊界條件和求解設(shè)定

　　流場計算邊界條件設(shè)置見表2。溫度場計算時環(huán)境溫度為45℃，機(jī)艙內(nèi)零部件熱源邊界根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來設(shè)置。采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，各物理量全隱式分離求解，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散滿足二階精度，殘差標(biāo)準(zhǔn)能量方程設(shè)置為10-6，其余項(xiàng)設(shè)置為10-3。

　　2 前端冷卻模塊流場影響因素研究

　　2.1 封閉部分格柵對冷卻模塊進(jìn)氣的影響

　　為提高整車氣動性能，在滿足熱管理要求的前提下，封閉部分格柵是很有效的手段之一。封閉格柵時，上格柵封閉區(qū)域以散熱器芯體左、右邊界為界限，下格柵封閉區(qū)域以中冷器芯體左、右邊界為界限，如圖3所示。

　　由圖4和圖5可知，不論采用哪種格柵封閉方式，低速工況和高速工況中冷器進(jìn)氣量均明顯增加。封閉上格柵時冷凝器和散熱器進(jìn)氣量稍有增加，封閉下格柵時進(jìn)氣量稍有下降。

　　封閉部分格柵導(dǎo)致冷卻模塊進(jìn)氣量增加，原因有兩個：(1)車頭正壓區(qū)基本不變，封閉部分格柵后，進(jìn)氣面積減小，在相同壓力作用下，進(jìn)氣速度會提高，從而增加了進(jìn)風(fēng)量。(2)封閉部分格柵后，進(jìn)入機(jī)艙兩側(cè)的氣流流速降低，壓力相對于未封閉格柵時升高，對其它部位氣流的抽吸作用減弱。

　　封閉上格柵兩側(cè)不影響冷卻模塊進(jìn)氣，但會導(dǎo)致機(jī)艙左側(cè)和右側(cè)的溫度上升，加劇此區(qū)域內(nèi)重要零部件的熱害風(fēng)險。

　　2.2 底護(hù)板對冷卻模塊進(jìn)氣的影響

　　基于未封閉格柵的模型，分析加裝發(fā)動機(jī)底護(hù)板對冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量的影響。

　　由表3可知，加裝底護(hù)板后，低速工況中冷器風(fēng)量增加了9.46%，冷凝器和散熱器風(fēng)量變化很小，高速工況各冷卻模塊風(fēng)量基本不變。

　　汽車行駛時從下保下緣流過車底的氣流速度快，壓力低。圖6中不帶底護(hù)板時，低速工況下從下格柵進(jìn)入的氣流容易受到車底氣流的吸引而改變方向，提前流出機(jī)艙。圖7中加裝底護(hù)板后，隔絕了底部氣流對下格柵來流的干擾，有利于中冷器進(jìn)氣。

　　加裝底護(hù)板對中冷器進(jìn)氣和整車氣動性能有積極作用，但對油底殼散熱不利。由圖8和圖9可知，低速工況下，不帶底護(hù)板油底殼迎風(fēng)面風(fēng)速(平均風(fēng)速為1.58 m/s)明顯比加裝下護(hù)板(平均風(fēng)速為1.41 m/s)的高，后者平均風(fēng)速降低10.8%。

　　2.3 冷卻模塊進(jìn)風(fēng)面速度均勻性比較

　　由表4可知，低速工況下，冷卻模塊進(jìn)氣主要靠散熱風(fēng)扇抽吸作用驅(qū)動，離風(fēng)扇最近的散熱器進(jìn)風(fēng)面速度分布均勻性較冷凝器差。高速工況下，前格柵進(jìn)氣占主導(dǎo)作用，中冷器和散熱器的進(jìn)風(fēng)面速度分布均勻性較低速工況變好，由于格柵在冷凝器上的正投影面積有限，冷凝器的速度分布均勻性變差。

　　3 散熱器空氣側(cè)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

　　整車試驗(yàn)選擇在國內(nèi)某風(fēng)洞中心進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度為45℃，相對濕度為50%，陽光模擬強(qiáng)度為950 W/m2。試驗(yàn)車輛未封閉格柵，不帶下護(hù)板，試驗(yàn)工況為低速爬坡(車速40 km/h，坡度10%)，取熱平衡后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

　　為獲得散熱器前部風(fēng)速、前部和后部溫度分布，試驗(yàn)中在散熱器前部布置了12個葉輪式風(fēng)速儀，在散熱器前部和后部分別布置了9個溫度傳感器，如圖10所示。

　　表5中散熱前平均風(fēng)速仿真值與試驗(yàn)值均大于設(shè)計值2.68 m/s，兩者誤差小于5%，說明在總的通風(fēng)量方面，仿真值比較接近試驗(yàn)值。散熱器前部和后部溫度平均值誤差均小于10%，滿足工程分析需要。

　　發(fā)動機(jī)艙內(nèi)靠近高溫源(排氣歧管等)的零部件受熱輻射影響很大，在機(jī)艙熱流場分析時考慮熱輻射，計算開銷巨大。通常的做法是對關(guān)注的零部件單獨(dú)計算局部熱輻射影響并與機(jī)艙熱流場進(jìn)行耦合。

　　對于排氣系統(tǒng)前置的發(fā)動機(jī)，散熱器電子風(fēng)扇受排氣歧管、催化轉(zhuǎn)化器及對應(yīng)隔熱罩的輻射影響很大。本文中散熱風(fēng)扇熱輻射分析模型僅包括發(fā)動機(jī)本體、排氣系統(tǒng)、變速器和散熱風(fēng)扇，如圖14所示。

　　由圖15可知，考慮輻射時風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩表面溫度比不考慮輻射時要高，整個護(hù)風(fēng)罩溫度分布明顯反映高溫輻射影響，即越靠近高溫源溫度越高。

　　5 結(jié)論

　　本文對某排氣前置的車型進(jìn)行了前端冷卻模塊空氣側(cè)熱流場仿真并將部分仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)論如下：

　　(1)封閉部分格柵和加裝底護(hù)板均能提高中冷器進(jìn)氣量，但加裝底護(hù)板對油底殼散熱不利。低速工況下散熱器進(jìn)風(fēng)面速度均勻性較差，而高速工況下冷凝器進(jìn)風(fēng)面速度均勻性較差。

　　(2)散熱器前風(fēng)速平均值、前部和后部溫度平均值與試驗(yàn)相比誤差均小于10%，散熱器前平均風(fēng)速滿足設(shè)計要求且留有一定余量。從仿真和試驗(yàn)結(jié)果來看，該車型發(fā)動機(jī)艙冷卻模塊和進(jìn)氣格柵的匹配設(shè)計合理。

　　(3)散熱風(fēng)扇考慮和不考慮熱輻射影響的對比分析表明考慮局部高溫輻射與機(jī)艙熱流場的耦合模擬能大大提高熱分析精度。

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