某輕型商用車機(jī)艙流場和冷卻性能分析

某輕型商用車機(jī)艙流場和冷卻性能分析摘要：本文利用軟件STAR-CCM+對某輕型商用車機(jī)艙內(nèi)部新舊布置方案的流場及冷卻性能進(jìn)行了分析，得到定性的可視化結(jié)果和定量的關(guān)鍵物理量結(jié)果，通過分析截面及換熱器芯子表面速度和溫度的分布，發(fā)現(xiàn)原方案存在嚴(yán)重的熱氣回流現(xiàn)象，降低了換熱器的換熱效率，新方案的冷卻氣流流量降低的同時(shí)溫度也降低，根據(jù)仿真得到的發(fā)動機(jī)出水溫度及中冷器出氣溫度判斷新方案滿足冷卻系統(tǒng)性能要求。仿真方法在3種工況下關(guān)鍵溫度的誤差最大為3.8oC左右，對設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：CFD；機(jī)艙流場；冷卻系統(tǒng)；換熱器前言冷卻系統(tǒng)的開發(fā)是汽車設(shè)計(jì)中關(guān)鍵內(nèi)容之一，更緊湊的機(jī)艙布置，更高的發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷和更嚴(yán)厲的排放標(biāo)準(zhǔn)對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為判斷車輛的冷卻性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，通常需要進(jìn)行整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)來驗(yàn)證，如果沒有達(dá)到預(yù)期，多輪方案的重新設(shè)計(jì)及實(shí)施將會增加開發(fā)成本，甚至影響項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度。日益成熟的CFD仿真分析方法是一種低成本、高效率的設(shè)計(jì)開發(fā)手段，從仿真中可以得到試驗(yàn)難以捕捉到的豐富信息，用于定位問題關(guān)鍵點(diǎn)，有依據(jù)地評估并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。某輕型商用車為解決發(fā)動機(jī)“露缸”嚴(yán)重的問題，需要將發(fā)動機(jī)前移，使得冷卻包的布置面臨困難，新布置方案給冷卻系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)行評估。本文描述了使用軟件STAR-CCM+對原方案和新方案進(jìn)行仿真計(jì)算，將原方案試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真方法的可信度，再對新方案的流場及關(guān)鍵溫度結(jié)果進(jìn)行分析，判斷新方案的可行性。分析方法本文選用三維仿真方法。相對于一維仿真，三維仿真可以捕捉速度、壓力、溫度等物理量在空間上分布的詳細(xì)信息，如換熱器芯子表面的風(fēng)速分布和溫度分布，更接近于實(shí)際情況，而不是簡單的平均分布。對于參數(shù)無法直接表現(xiàn)其性能的方案改動，比如在散熱器周圍加擋板帶來的影響，必須通過三維軟件計(jì)算出流場才能準(zhǔn)確評估。一維模型必須通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，而三維計(jì)算可以在整車試驗(yàn)之前完成仿真。風(fēng)扇和換熱器分別通過MRF（MovingReferenceFrames）模型和多孔介質(zhì)（Porous

Medium）模型來模擬。對于換熱器冷熱兩側(cè)的換熱計(jì)算，使用STAR-CCM+中的真實(shí)雙流換熱器模型（ActualFlowDualStreamHeatExchangerModel）來完成。用于定量評價(jià)的指標(biāo)主要有發(fā)動機(jī)出水溫度和中冷器出氣溫度。通過換熱器的空氣流量和換熱器迎風(fēng)面平均溫度對換熱器性能發(fā)揮有直接影響，也是需要關(guān)注的結(jié)果。計(jì)算模型與邊界條件計(jì)算模型建立整車CFD計(jì)算模型，包括駕駛室、車廂、車架、懸架、車輪、發(fā)動機(jī)、變速箱、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、油箱、電池、儲氣筒等，盡量保持與實(shí)車一致（見圖1）。圖1整車CFD計(jì)算模型圖2原方案布置方式圖3新方案布置方式由于發(fā)動機(jī)的前移，新方案冷卻包的布置方式發(fā)生改變，與原方案相比主要有以下區(qū)別（見圖2、圖3）：冷卻包前移并傾斜；風(fēng)扇軸由水泵軸下移至曲軸，同時(shí)風(fēng)扇速比由1.35降低為1；護(hù)風(fēng)罩重新設(shè)計(jì)；中冷器與散熱器的相對位置發(fā)生改變。使用切割體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，對關(guān)心區(qū)域和流動復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，選擇合適的網(wǎng)格大小以平衡計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的關(guān)系，最終網(wǎng)格數(shù)量約為1600萬（見圖4）。圖4網(wǎng)格模型2.2邊界條件考察扭矩點(diǎn)、檢查點(diǎn)和功率點(diǎn)三種工況下的冷卻能力，邊界條件見表1。根據(jù)供應(yīng)商提供的散熱器和中冷器數(shù)據(jù)，給定多孔介質(zhì)的阻尼系數(shù)以及雙流換熱器模型的Q-Map（見圖5）。為了簡化問題，除了散熱器和中冷器以外沒有考慮其他熱源的熱效應(yīng)。表1邊界條件發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）140019002500車速（km/h）252525環(huán)境溫度（oC）24.924.126.5散熱器散熱功率（kW）55.8674.5177.39冷卻液流量（l/min）127.69147.8177.17中冷器進(jìn)氣溫度（oC）165.8173.2183.9中冷器流量（kg/min）6.348.9312.11風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-原方案（r/min）189025653375風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-新方案（r/min）140019002500圖5阻尼系數(shù)和Q-map計(jì)算結(jié)果分析先將原方案的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)（見圖6），可以看到散熱器出水溫度誤差最大為3.8oC，中冷器出氣溫度最大誤差為3.7oC?？紤]到發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，散熱器、中冷器供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，都帶有試驗(yàn)本身的誤差，這樣的精度可以接受。圖6仿真與試驗(yàn)對標(biāo)用同樣的方法對新方案進(jìn)行仿真，將重點(diǎn)關(guān)注結(jié)果與原方案進(jìn)行對比（見表2）。新方案最大的一個(gè)劣勢就是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速大幅降低，這也是前期擔(dān)心的主要風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明通過散熱器和中冷器的空氣流量的確都顯著降低。但同時(shí)新方案冷卻包的迎面風(fēng)溫度也有了明顯的下降，這對提高換熱效率十分有利。最終發(fā)動機(jī)出水溫度只提高了0.5oC，依然滿足冷卻要求。根據(jù)中冷器的Q-Map可以發(fā)現(xiàn)，中冷器散熱性能對冷卻風(fēng)量的敏感性不及散熱器，所以風(fēng)量的減少對其性能的影響有限，同時(shí)在迎面風(fēng)溫度下降至接近環(huán)境溫度的情況下，出氣溫度大幅下降了10.4oC。通過Y=0截面速度矢量圖（見圖7）可以看出，機(jī)艙內(nèi)部流場比較復(fù)雜，多處存在渦流。風(fēng)扇附近流場速度較大，由于風(fēng)扇離發(fā)動機(jī)很近，吹出的風(fēng)受到發(fā)動機(jī)的阻礙，向四周發(fā)散。表22500r/min結(jié)果對比新方案原方案變化發(fā)動機(jī)出水溫度（oC）81.380.80.5中冷器出氣溫度（oC）56.366.7-10.4散熱器空氣流量（kg/s）3.243.63-10.7%中冷器空氣流量（kg/s）2.452.98-17.8%散熱器迎面風(fēng)溫度（oC）38.141.1-3.0中冷器迎面風(fēng)溫度（oC）29.235.8-6.6新方案中風(fēng)扇下部沒有受到發(fā)動機(jī)阻礙，所以更利于有組織地將熱氣流吹向地面，帶走熱量，改善機(jī)艙內(nèi)的熱環(huán)境。冷卻氣流流量對散熱效果有直接影響，除了與風(fēng)扇能力相關(guān)，也與機(jī)艙系統(tǒng)阻力相關(guān)。前端進(jìn)風(fēng)主要從保險(xiǎn)杠以及保險(xiǎn)杠與格柵間的空隙處流向冷卻包，從速度矢量圖中可以看到兩條速度明顯比周圍大的路徑，這也是阻力最小的流道。新冷卻包的下移，減小了駕駛室地板對冷卻包的阻礙，尤其中冷器完全擺脫了駕駛室地板的遮擋，同時(shí)冷卻包的前移，縮短了與前端進(jìn)氣口的距離，減小了冷卻包前方阻力，風(fēng)扇與前端進(jìn)氣口的位置在Z方向上也更加對應(yīng)，綜上因素有利于更多氣流通過冷卻包，一定程度上彌補(bǔ)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低帶來的負(fù)面影響。冷卻包距離進(jìn)氣格柵、保險(xiǎn)杠越遠(yuǎn)，越不利于前端進(jìn)氣，尤其在本試驗(yàn)中的低風(fēng)速工況下，進(jìn)氣幾乎完全依賴于風(fēng)扇。圖7Y=0截面速度矢量圖@2500r/min本次計(jì)算中只考慮了散熱器和中冷器兩個(gè)熱源，氣體導(dǎo)熱能力不強(qiáng)，且沒有考慮輻射換熱，所以近似認(rèn)為溫度大于環(huán)境溫度的地方都是熱氣流流到的地方，也就是說可以直觀地通過觀察溫度云圖判斷氣流通過冷卻包后的流向?？梢钥吹讲糠謿饬鞑]有能夠順暢地排出機(jī)艙外，而是帶著熱量返回到冷卻包前方上部，降低了換熱器的換熱功率（見圖8）。與原方案相比，新方案冷卻包與地板之間的空間縮小，使得熱氣流回流余地變小，進(jìn)而對冷卻包的影響范圍變小，對抑制熱氣回流起到了關(guān)鍵作用?？梢钥吹叫路桨革L(fēng)扇周圍的溫度明顯降低，而發(fā)動機(jī)下方的溫度升高，是因?yàn)楦嗟臒釟饬饔纱伺懦鰴C(jī)艙外。圖8Y=0截面溫度云圖@2500r/min換熱器冷卻性能隨著迎面風(fēng)溫度的升高而降低。觀察原方案中冷器芯子表面空氣溫度，最高有60oC（見圖9），這明顯是熱氣回流造成的。新方案一方面因?yàn)橹欣淦飨鄬τ谏崞鞯奈恢孟乱疲硪环矫嬗捎跓釟饣亓鳜F(xiàn)象得到抑制，使得中冷器避開了冷卻包上方的熱氣回流區(qū)域，所以中冷器芯子表面空氣溫度明顯低于原方案。散熱器布置在中冷器后方，所以散熱器芯子表面的空氣大多帶著中冷器的散熱量，因此溫度相對較高，且兩者高溫區(qū)有一定對應(yīng)性（見圖10）。新方案散熱器迎面風(fēng)溫度低一方面是由于前方的中冷器出氣溫度降低，另一方面是因?yàn)闊釟饣亓鳜F(xiàn)象減弱。散熱器尺寸比中冷器大，原方案散熱器芯子下方位置沒有被中冷器遮擋，外界氣流直接流到散熱器芯子表面，所以這部分溫度更接近環(huán)境溫度。圖9中冷器芯子迎風(fēng)面溫度云圖@2500r/min圖10散熱器芯子迎風(fēng)面溫度云圖@2500r/min散熱器芯子表面風(fēng)速高速區(qū)域分布基本與風(fēng)扇的輪廓一致，可見風(fēng)扇在散熱器進(jìn)風(fēng)效果中起主導(dǎo)作用，另外因?yàn)槭苤欣淦鞯淖钃?，速度分布也可以看出中冷器的輪廓。中冷器離風(fēng)扇較遠(yuǎn)，且中間有散熱器的阻擋，速度分布相對平均，風(fēng)扇效應(yīng)不明顯（見圖11,圖12）。根據(jù)速度云圖也可以看出新方案的流量降低明顯，雖然原方案中冷器中上部風(fēng)速大，但其中主要是熱氣回流。另兩個(gè)工況點(diǎn)的結(jié)果也符合冷卻要求，不再贅述。圖11散熱器芯子表面速度云圖@2