張佑源

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

基于CFD流程分析的商用車冷卻系統(tǒng)設(shè)計研究

張佑源

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，通過CFD流場分析手段對冷卻系統(tǒng)布置分析，冷卻系統(tǒng)零部件選型分析提供理論依據(jù)，并通過冷卻系統(tǒng)性能匹配試驗進行驗證。試驗證明這種方法能夠模擬冷卻系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)匹配、零部件的選型及設(shè)計，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，以此縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

CFD；冷卻系統(tǒng)；發(fā)動機；散熱能力

冷卻系統(tǒng)散熱對提高發(fā)動機燃油的經(jīng)濟性、動力性、汽車乘坐舒適性和排放指標具有重要意義，是目前提高發(fā)動機相關(guān)方面性能的重要技術(shù)手段。

影響散熱系統(tǒng)設(shè)計的因素眾多，散熱系統(tǒng)必須具有足夠的散熱能力、且噪聲低、能耗小、可靠性高、成本低、維護便利、還要滿足整機外觀及安裝工藝要求等，設(shè)計需權(quán)衡各因素，開發(fā)出滿足客戶要求的散熱系統(tǒng)。

本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，從CFD流場分析結(jié)果及零部件的設(shè)計理論入手指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)匹配、零部件的選型及設(shè)計，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，以此縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 散熱器設(shè)計選型分析

散熱器的作用是將各熱源系統(tǒng)的熱量傳遞給冷卻空氣，從而調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)溫度，使各系統(tǒng)在所有工況下保持在合適的溫度范圍內(nèi)，既不過熱，也不過冷。散熱器的性能受多方面因素的影響，主要包括：散熱器材料、芯體結(jié)構(gòu)、翅片結(jié)構(gòu)、散熱器的布置等。

1.1 散熱器芯子材料及結(jié)構(gòu)選擇

散熱器芯體是主要起散熱功能的部件，常用的材料有銅和鋁。由于鋁材具有良好的導(dǎo)熱性、可焊接、易成型性和可靠性，且重量輕，目前商用車上基本采用鋁質(zhì)散熱器。

散熱器芯體的結(jié)構(gòu)形式有很多種，常見的有板翅式、管帶式、管片式和管殼式。管帶式散熱器結(jié)構(gòu)強度和剛性不如板翅式，但零件少，制造工藝好、重量輕，成本低，散熱系數(shù)高，目前商用車上基本采用此結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 散熱器的布置形式

散熱器的布置形式可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，并聯(lián)是指將所有散熱器安裝于同一迎風(fēng)面上（可以是左右排列，也可以是上下排列），冷卻空氣同時經(jīng)過各散熱器；串聯(lián)是指將不同散熱器前后布置，冷卻空氣依次通過各散熱器。由于空間布置限制，商用車全部采用串聯(lián)布置形式。

2 確定散熱面積及外形尺寸

散熱面積是針對芯體而言，設(shè)計計算中忽略上、下水室散走的熱量，散熱面積主要受熱源系統(tǒng)的發(fā)熱量、翅片換熱系數(shù)及冷熱側(cè)溫差的影響，計算公式如下：

式中，φw為儲備系數(shù)，考慮焊接不良、水垢以及油泥等對散熱器性能的影響，可取φw=1.1～1.15；Qw為散熱器需帶走的熱量（kW）；△TKW為換熱介質(zhì)對數(shù)平均溫差（℃）；Kw為換熱系數(shù)（kW/（m2.℃）），根據(jù)具體翅片確定。

確定芯體尺寸主要指確定散熱器芯體的寬度W、高度H和厚度D.根據(jù)整車布置，空間邊界條件確定散熱器迎風(fēng)面積Swp（Swp=W×H）。根據(jù)散熱器面積Sw和迎風(fēng)面積Swp，可按下式計算芯子厚度H（m）：

式中，φv為容積緊湊性系數(shù)，主要取決于翅片參數(shù)，一般為400～900 m2/m3.

2 護風(fēng)罩設(shè)計分析

護風(fēng)罩作為將方形的散熱器過渡到做圓周運動的軸流冷卻風(fēng)扇的連接通道，可以提高風(fēng)扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣流均勻分布，并減少發(fā)動機艙內(nèi)熱空氣回流。護風(fēng)罩形狀設(shè)計應(yīng)遵循一定的規(guī)則，通過CFD流場分析，使冷卻效率最優(yōu)，滿足設(shè)計要求。

2.1 拐點圓弧過渡

護風(fēng)罩拐點處應(yīng)設(shè)計出過渡圓弧，圓弧大小R=0.07D-0.12D（D為風(fēng)扇直徑），根據(jù)系統(tǒng)布置情況選擇合適圓角。圓弧過渡順滑，無突兀，可使氣流走向平滑、均勻。圖1為CFD分析實例。

圖1 圓弧過渡段CFD分析結(jié)果

2.2 平直段長度

護風(fēng)罩由方形過渡為圓形，圓形平直段應(yīng)保證一定長度，平直段長度L=0.5-0.7d（d為風(fēng)扇最大投影厚度）。通過試驗驗證，護風(fēng)罩平直段在推薦范圍內(nèi)時，風(fēng)扇性能及噪聲均處于較優(yōu)水平。

2.3 風(fēng)扇前端面與散熱器芯子距離

風(fēng)扇前端面與散熱器芯子距離L=0.25D-0.4 D，最小不能小于0.15D（D為風(fēng)扇直徑）。經(jīng)CFD分析結(jié)果顯示，風(fēng)扇與散熱器間距加大，風(fēng)量增加噪聲減小，而且在某一點達到最大值，然后趨于平衡。

通過具體車型設(shè)計驗證實例顯示，同等情況下風(fēng)扇與散熱器間距縮短約130 mm后，風(fēng)量下降達30%。并通過熱平衡試驗驗證，風(fēng)扇到芯子的距離過小，散熱能力劣化嚴重。表1為對比試驗結(jié)果。

表1 同一布置狀態(tài)下風(fēng)扇與散熱器不同距離熱平衡試驗結(jié)果

2.4 風(fēng)扇葉尖與拐點距離

通過CFD仿真分析，風(fēng)扇葉尖與拐點距離在5～10 mm最為合適。具體見圖2實例。

圖2 風(fēng)扇葉尖與拐點距離CFD分析結(jié)果

2.5 護風(fēng)罩設(shè)計要點匯總

通過CFD仿真分析，并通過試驗驗證，護風(fēng)罩形狀設(shè)計應(yīng)遵循一定的規(guī)則?，F(xiàn)匯總?cè)绫?.

表2 護風(fēng)罩設(shè)計要求

3 風(fēng)扇選型分析

風(fēng)扇作為冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件總成，其工作原理是動力驅(qū)動風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇葉片切入空氣并推動氣流做功，氣流獲得動能（氣流具有運動速度）和靜壓（克服系統(tǒng)阻力使氣流通過），達到散熱目的[2]。

3.1 風(fēng)扇性能曲線落點應(yīng)避開喘振區(qū)

當性能曲線交于喘振區(qū)時，由于系統(tǒng)阻力過大會造成原本連續(xù)流動的氣流在葉道中脫離形成氣流團[3]，在同一阻力下流量波動大產(chǎn)生周期性的震蕩，進而引發(fā)低頻脈動噪聲，此時能耗、噪音大。

當風(fēng)扇性能曲線與散熱器總的阻力曲線相交于喘振區(qū)時，更換風(fēng)扇葉形或者加大風(fēng)扇直徑。

3.2 輪轂比

通過CFD仿真分析及試驗驗證，風(fēng)扇輪轂比(D1/D)：推薦0.3～0.45較為合適。具體實例如圖3所示。

圖3 同款風(fēng)扇不同輪轂比下風(fēng)扇出風(fēng)流程分析

兩個車型采用同款風(fēng)扇，直徑700風(fēng)扇風(fēng)軸向吹出，直徑640風(fēng)扇（由700風(fēng)扇切割而成）在無發(fā)動機擋風(fēng)的情況下風(fēng)向四周擴散，引起揚塵。實測結(jié)果線束640風(fēng)扇揚塵較大，與仿真分析相符。

3.3 風(fēng)扇葉尖圓周速度

風(fēng)扇葉尖圓周速度應(yīng)控制在71 m/s以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)噪聲與圓周速度的10次方成正比，渦流噪聲與圓周速度的6次方成正比[4]，能使風(fēng)扇保持安靜運轉(zhuǎn)時的圓周速度≤71 m/s.

3.4 風(fēng)扇形狀選擇

風(fēng)扇形狀一般分為開口風(fēng)扇和環(huán)形風(fēng)扇，開口風(fēng)扇模具統(tǒng)一，可通過切割，形成同型號不同直徑系列風(fēng)扇，應(yīng)用更廣泛。環(huán)形風(fēng)扇模具單一，同型號只能采用同一直徑，應(yīng)用較單一。環(huán)形風(fēng)扇由于環(huán)形輪轂結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，噪聲相對較小，但環(huán)形風(fēng)扇由于外環(huán)存在，厚度厚且外環(huán)強制導(dǎo)流作用，風(fēng)向不易擴散，整車布置空間狹小或有回風(fēng)時，應(yīng)盡量采用開口風(fēng)扇，見圖4.

圖4 環(huán)形風(fēng)扇與開口風(fēng)扇在狹小空間內(nèi)應(yīng)用流場對比分析

4 空間布置要求

商用車冷卻系統(tǒng)空間布置首先需考慮整車布置需求，同時需滿足駕駛室、車架、離地間隙要求等邊界條件，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，利用CFD分析手段，可進一步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)布置，提升散熱性能。

4.1 風(fēng)扇后端面與發(fā)動機距離要求

風(fēng)扇后端面與發(fā)動機需預(yù)留一定間隙，從風(fēng)扇選裝防止干涉角度，此間隙需≥20 mm，經(jīng)CFD分析，理論風(fēng)扇距離發(fā)動機越遠越好，在特定的空間內(nèi)風(fēng)扇有個最佳的安裝位置，但風(fēng)扇軸強度要滿足匹配要求。因此，結(jié)合理論計算及試驗結(jié)果，在滿足強度要求的基礎(chǔ)上，建議風(fēng)扇后端面與發(fā)動機距離L≥40 mm.

從5圖中可看出，風(fēng)扇與發(fā)動機距離小，氣流經(jīng)發(fā)動機反彈，造成熱風(fēng)回流及揚塵，加大間隙后，氣流反彈現(xiàn)象基本消失，散熱能力大幅提升。經(jīng)試驗驗證，在個別車型上，散熱能力可提升7度以上。

圖5 風(fēng)扇與發(fā)動機距離變動對比分析

4.2 風(fēng)扇安裝高度

風(fēng)扇安裝高度受整車布置的影響很大，在滿足邊界條件的前提下，風(fēng)扇應(yīng)盡量對中布置，保證風(fēng)扇投影面位于散熱器中心。下圖為某商用車冷卻系統(tǒng)布置，由于整車布置原因，風(fēng)扇位于散熱器上方，偏心布置，經(jīng)CFD仿真分析，風(fēng)扇投影面超出散熱芯，葉端處有部分被護風(fēng)罩遮擋，系統(tǒng)阻力變大，風(fēng)量變小。風(fēng)扇偏心布置引起空氣動力性能的損失，造成風(fēng)速分布不均導(dǎo)致散熱效率下降。

4.3 散熱器與駕駛室間隙加隔板防止回風(fēng)

散熱器與駕駛室由于存在相當運動，布置時需預(yù)留足夠間隙，防止運動干涉。風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時，散熱器后部熱風(fēng)可通過此間隙串回散熱器前部，導(dǎo)致熱風(fēng)回流，嚴重影響散熱效率。通過在散熱器上增加軟質(zhì)隔板，可有效解決此問題。經(jīng)CFD仿真分析及試驗驗證，通過此方法可提升散熱能力4℃以上，具體如圖6所示。

圖6 某商用車散熱器增加隔板前后仿真分析

從上圖中可看出，散熱器未增加隔板前，散熱器頂部存在明顯的熱風(fēng)回流現(xiàn)象，增加后，回風(fēng)消失。

5 結(jié)束語

冷卻系統(tǒng)作為整車關(guān)鍵系統(tǒng)，既要防止發(fā)動機過熱，也要防止發(fā)動機過冷，使發(fā)動機在所有工況下都保持在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。本文探討了基于CFD流程分析手段，在冷卻系統(tǒng)零部件設(shè)計選型分析，冷卻系統(tǒng)布置方面應(yīng)注意的一些要求，通過冷卻匹配試驗在多個車型上進行效果驗證，確定有效，在商用車冷卻系統(tǒng)開發(fā)中具體借鑒意義。

[1]劉紀福.翅片管換熱器的原理與設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[2]昌澤舟.軸流式通風(fēng)機實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]蘇曉芳，楊林強，陳圓明，等.發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的降噪研究與優(yōu)化[J].汽車技術(shù)，2011（09）：04.

[4]禹華謙.工程流體力學(xué)（水力學(xué)）[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

Design of Commercial Vehicle Cooling System Based On CFD Flow Field Analysis

ZHANG You-yuan
（Dongfeng Liuzhou Mortor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China）

Based on the engineering practice experience ，this paper provides theoretical basis for layout analysis of cooling system and component selection analysis of cooling system by means of CFD flow field analysis method，and verifies by the performance matching experiment of cooling system.Experiments have proved that this method can simulate the actual working state of cooling system，the selecting and design of components ，and guide the development and design of cooling system，so as to shorten the product development cycle.

CFD；Cooling system；Engine；Heat-sinking capability

U464.138

A

1672-545X（2017）08-0124-04

2017-05-30

張佑源（1986-），男，湖南新化人，本科，助理工程師，研究方向：冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計開發(fā)。