謝暴，許述財，陶其銘

（1.安徽職業(yè)技術學院機械工程系，安徽合肥230011；2.清華大學汽車工程系，北京100084；3.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

基于STAR-CCM+的轎車發(fā)動機艙熱管理仿真分析與研究

謝暴1，許述財2，陶其銘3

（1.安徽職業(yè)技術學院機械工程系，安徽合肥230011；2.清華大學汽車工程系，北京100084；3.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601）

在車輛開發(fā)過程中，應用STAR-CCM+軟件對某款車型的發(fā)動機艙進行熱管理仿真分析，獲得發(fā)動機艙的流場及溫度場分布，并對機艙內存在的過熱風險區(qū)域進行優(yōu)化.通過試驗結果與仿真結果的對比，驗證了該方法的可行性，為發(fā)動機艙性能開發(fā)及結構優(yōu)化提供了技術支持.

CFD；發(fā)動機艙；溫度場；數(shù)值模擬

汽車工業(yè)的發(fā)展推動著人們對汽車安全性能、動力性能及舒適性能的要求不斷提高［1］，造成發(fā)動機艙內熱流密度明顯增大，而現(xiàn)代汽車采用的低車身、小型化的設計趨向使得發(fā)動機艙內的散熱情況更加嚴峻［2］.發(fā)動機艙內產生的這些熱量若無法及時、有效的耗散，會引起艙內局部過熱，使溫度敏感部件（如艙內線束、橡膠件、電子設備等）無法正常工作或損壞，同時日益嚴格的排放標準也對冷卻系統(tǒng)提出了新的要求.因此采用先進的發(fā)動機艙熱管理仿真分析手段和方法，對汽車熱管理系統(tǒng)進行深入研究具有十分重要的意義［3］.汽車發(fā)動機艙熱管理仿真是針對發(fā)動機艙內部的散熱情況進行模擬分析，涉及到發(fā)動機艙內關鍵部件保護，以確保在不同的狀態(tài)下發(fā)動機艙內的各部件都能夠正常運行，并通過系統(tǒng)性地優(yōu)化提高各部件的性能、降低試驗開發(fā)成本，是整車開發(fā)中十分重要的環(huán)節(jié).

本文運用CFD方法，對某款車型進行發(fā)動機艙熱管理仿真分析，得到前艙流場和重要熱敏感部件壁面溫度場分布，并通過優(yōu)化使其滿足設計要求，結合熱環(huán)境艙試驗驗證，為汽車發(fā)動機艙性能開發(fā)及結構優(yōu)化提供了技術支持.

1　模型建立與數(shù)值計算

1.1幾何模型

發(fā)動機艙熱管理三維仿真分析模型如圖1所示，主要包括：機艙內所有部件、白車身及外部覆蓋件、排氣系統(tǒng)等.

圖1　某車型發(fā)動機艙熱管理分析模型

對初始CAD數(shù)據(jù)進行包面，最終生成體網格，網格類型為Trim網格，總數(shù)為1122萬，其結果如圖2示.

圖2　Y=0截面網格模型示意圖

1.2數(shù)學模型

1.2.1基本控制方程

汽車發(fā)動機艙內流場一般視為定常、三維不可壓縮流場，因此可假設其流動過程為穩(wěn)態(tài)湍流［4］.將流體視為由連續(xù)分布的無數(shù)流體微團構成，其滿足連續(xù)性方程、N-S方程及能量守恒方程［5］：

式中ρ為流體密度，V為速度向量，?為哈密頓算子，

式中P為作用在流體微團表面的壓力；fx，fy，fz為作用x，y，z 3個方向上的體積力；τxx，τyy，τzz為流體微團之間相互作用的正應力；τyx，τzx，τxy，τzy，τxz，τyz為流體微團之間相互作用的剪切應力.

將以上方程在流體計算域所劃分的網格上進行數(shù)值離散，得到一組差分方程組，根據(jù)已知的邊界條件，求解該方程組即可得到各網格節(jié)點上物理量，從而得到整個流場［6］.若要計算溫度場，則增加能量方程即可.

1.2.2湍流模型

標準κ-ε方程湍流模型是目前汽車繞流計算中應用最普遍的湍流模型［7］，即分別引入湍流動能κ及耗散率ε的方程.

κ方程為：

由于標準κ-ε湍流模型只適合模擬完全湍流的流動過程，而汽車繞流計算為含壁面約束的湍流流動，所以需采用壁面函數(shù)法對壁面附近的區(qū)域進行處理［9］.采用穩(wěn)態(tài)過程計算，在計算過程中同時考慮對流和輻射兩種傳熱方式，輻射計算采用S2S輻射傳熱模型.

1.3邊界定義

計算域進口根據(jù)試驗工況設定速度入口為80 km/h，溫度為40℃.

采用多孔介質模型來模擬冷凝器和散熱器的阻力特性，通過試驗數(shù)據(jù)分別擬合冷凝器和散熱器芯體的慣性阻尼系數(shù)及兩者的黏性阻尼系數(shù)，見表1.

表1　冷卻模塊芯體阻尼系數(shù)

發(fā)動機艙內部高溫熱源對周邊零部件產生熱輻射影響，因此需將高溫部件作為邊界條件，其試驗測試結果見表2.

風扇采用MRF隱式算法.艙內主要熱源表面由試驗測量結果給定溫度邊界，其他部件表面給定絕熱邊界及材料輻射系數(shù)以求解其表面溫度分布.

表2　熱源邊界數(shù)據(jù)

2　發(fā)動機艙熱管理分析及優(yōu)化

2.1流場及溫度場分析

典型截面速度分布見圖3，從圖中可以看出，冷卻氣流從進氣格柵進入發(fā)動機艙后，一部分氣流從冷卻模塊四周泄露，直接流向發(fā)動機艙，沒有起到有效的冷卻作用，需要增加導流板.

圖3　截面速度分布示意圖

圖4為典型截面溫度場分布，從圖中可以看出，在發(fā)動機排氣歧管及催化器處存在高溫區(qū)域，可能會使該區(qū)域附近的電器零部件或溫度敏感部件不能有效工作.

圖4　截面溫度分布示意圖

2.2發(fā)動機艙優(yōu)化

經過對發(fā)動機艙流場和溫度場分析，發(fā)現(xiàn)散熱器等周圍存在泄漏現(xiàn)象，針對散熱器處冷卻氣流的泄漏情況，考慮在散熱器周邊增加擋風罩，如圖5.

圖5　增加擋風罩方案示意圖

將優(yōu)化方案和原分析結果進行對比（圖6），可以看出，增加擋風罩后，有效解決了漏風問題，與原始狀態(tài)相比，散熱器和冷凝器風量明顯提高，表3所示為優(yōu)化前后通過冷凝器、散熱器及中冷器風量變化對比.

圖6　優(yōu)化前后Y=0截面速度對比圖

從表3可以看出，優(yōu)化前后，冷凝器、散熱器及中冷器風量分別提高了4.48%、 37.31%和25.55%.同時，進行發(fā)動機艙溫度場分析對比，優(yōu)化后機艙高溫區(qū)溫度整體降低，優(yōu)化前后考查項及溫度敏感部件溫度對比如圖7所示.

從圖7可以看出，除風扇后及轉向軸殼體外，其余溫度敏感部件的溫度均有不同程度的下降，發(fā)動機出水溫度由原來的111.6℃下降為103.9℃，下降明顯，說明優(yōu)化方案合理可行.

表3　優(yōu)化前后通過冷卻部件風量變化

圖7　優(yōu)化前后考查項及艙內主要熱敏感部件溫度對比圖

3　仿真結果與試驗結果對比

通過試驗驗證優(yōu)化方案在實車中的效果，散熱元件增加擋風裝置后在環(huán)境倉對該車進行整車熱平衡及熱害試驗，總計布置溫度傳感器147個，電流電壓檢測器8個，ECU檢測信號62個，如圖8所示.

圖8　傳感器布置示意圖

布置完測點后，風洞升溫至40℃，風速達到80 km/h，并施加8%的坡度后開始測試.所測各點的溫度基本穩(wěn)定后，以20s的時間間隔記錄各點的溫度，多次測試取其平均值，仿真分析結果與試驗結果的對比如圖9所示.

圖9　仿真分析結果與試驗結果的對比

通過圖9中的對比可以看出，目前的仿真結果與試驗結果存在一定的誤差，但差值均在10%以內，可以滿足工程的需要.

4　結論

在某轎車開發(fā)過程中，使用CFD技術進行發(fā)動機艙流場、溫度場分析，針對冷卻模塊處的泄漏情況及發(fā)動機艙散熱風險提出改進方案，并進行了分析驗證.最終通過與試驗結果的對比，驗證了此方法合理可行，能滿足工程需要.在整車開發(fā)階段，可對汽車發(fā)動機艙性能開發(fā)提供有力的技術支持.

［1］袁俠義，谷正氣，楊易，等.汽車發(fā)動機艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程，2009，31（9）：843-844.

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Thermal Managementsimulation andstudy on the Vehicle Engine Room of asedan Based onsTAR-CCM+

XIE Bao1，XUshucai2，TAO Qiming3
（1.Department of Mechanical Engineering，Anhui Vocational and Technical College，Hefei 230011；2.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084；3.Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd，Hefei 230601，China）

Numerical research was conducted on the thermal field of a certain model vehicle's engine compartment usingsTAR-CCM+software.Optimization was performed on potential overheated areas.Finally，the test results were compared with thesimulation results，which haveshown the promise of that approach and provided techniquesupport to the vehicle thermal field development.

CFD；engine room；temperature field；numericalsimulation

TH123

A

1008-2794（2015）04-0038-04

2015-05-06

安徽省高等學校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目“基于STAR-CCM+的汽車發(fā)動機艙熱管理研究及結構優(yōu)化”（2013SQRL123ZD）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目（168）

謝暴，副教授，碩士，研究方向：數(shù)字化設計與制造，E-mail：xiebaomail@126.com.