劉 飛，馮金盾

基于GT-COOL的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器仿真分析研究

劉 飛，馮金盾

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

運(yùn)用GT-COOL軟件建立某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一維模型。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極限工況下散熱器進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力等參數(shù)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明采用雙水箱設(shè)計(jì)散熱器性能良好，能夠滿足整車?yán)鋮s性能的要求。

冷卻系統(tǒng)；散熱器；GT-COOL；仿真分析

散熱器作為冷卻系統(tǒng)的重要部件，是發(fā)動(dòng)機(jī)在極限工況下的動(dòng)力性、工作可靠性的重要保證。現(xiàn)階段對(duì)散熱器性能研究的主要方法是基于風(fēng)洞試驗(yàn)及CFD 的數(shù)值模擬等方法，風(fēng)洞試驗(yàn)需要特定的試驗(yàn)設(shè)備，并需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)周期長。 CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)散熱器進(jìn)行仿真分析可得到散熱器換熱功率和出水溫度分析，如無試驗(yàn)驗(yàn)證，難以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性[1-2]。本文基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)的極限工況特性，應(yīng)用GT-SUITE 中的 GT-COOL模塊和ANSYS，建立某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器模型，通過對(duì)系統(tǒng)的壓力場、溫度場、速度場等仿真分析及實(shí)測測試，驗(yàn)證雙水箱冷卻系統(tǒng)散熱器的工作特性。

1 模型參數(shù)計(jì)算

1.1 傳熱系數(shù)及壓降計(jì)算分析

介質(zhì)側(cè)表面對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)用Cnielinski公式計(jì)算[3-5]，介質(zhì)側(cè)傳熱表面努塞爾數(shù)：

介質(zhì)側(cè)傳熱表面的換熱系數(shù)：

介質(zhì)側(cè)阻力因子關(guān)系式：

介質(zhì)側(cè)阻力壓降：

式中：Rew為介質(zhì)側(cè)雷諾數(shù)；Ρrw為介質(zhì)側(cè)普朗特?cái)?shù)；dw為散熱器散熱管的當(dāng)量直徑；λw為介質(zhì)傳導(dǎo)率；ρw為介質(zhì)密度；υw為介質(zhì)在散熱管內(nèi)的流速；N為流程數(shù)；wT為散熱管長度。

1.2 守恒定律的建立

連續(xù)性方程又稱質(zhì)量守恒方程，其微分形式為

式中，ρ為密度；t是時(shí)間；u為速度矢量。

能量守恒定律是含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律，其計(jì)算如下：

式中，Cp是比熱容；T為溫度；K為流動(dòng)的傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源。

動(dòng)量守恒方程：

式中：p為流體微元體上的壓力；ρ為密度；μ為動(dòng)力黏度。

空氣流動(dòng)方程：

通過計(jì)算，得到散熱器的相關(guān)模型設(shè)計(jì)參數(shù)：

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Table of parameters

2 冷卻系統(tǒng)模型建立及分析

2.1 仿真模型建立

根據(jù)所提供的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及表1中散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，定義發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的各部件模塊，并按照其實(shí)際工作工況參數(shù)，建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，見圖1。

ANSYS軟件中散熱器換熱過程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)換熱過程，在氣液側(cè)CFD計(jì)算時(shí)受以下物理定律的支配。基本定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。當(dāng)流動(dòng)換熱時(shí)，控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。進(jìn)出口、壁面條件設(shè)定如表2所示。

散熱器建立、網(wǎng)格劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型Fig.1 The model of engine cooling system

表2 參數(shù)設(shè)定表Tab.2 Table of parameter setting

圖2 有限元模型Fig.2 The model of FEM

2.2 仿真分析

溫度場：通過GT-COOL仿真結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度為373 K，散熱器出水口溫度為364 K，如圖3、圖4所示：

圖3 溫度模型Fig.3 The temperature model

圖4 散熱器出水口溫度Fig.4 The temperature of water outlet

通過ANSYS仿真結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度為373 K，散熱器出水口溫度為360 K，見圖5。

圖5 有限元分析溫度變化圖Fig.5 The graph of temperature with FEM

壓力場：通過GT-COOL仿真結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)出水壓力為1.55 bar，散熱器出水壓力為1.50 bar，如圖6、圖7所示：

圖6 壓力仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of pressure

通過ANSYS仿真結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)出水壓力為1.55 bar，散熱器出水壓力為1.48 bar，如圖7所示。

圖7 有限元分析壓力圖Fig.7 The nephogram of pressure in FEM

速度場：通過GT-COOL仿真結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口流速為1.45 kg/s，散熱器出水口流速為0.725 kg/s，如圖8、圖9所示。

圖8 流速仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of velocity

圖9 流速變化云圖Fig.9 The nephogram of velocity

通過ANSYS仿真結(jié)果冷卻介質(zhì)在散熱器中的分布情況如圖10所示顯示。

圖10 介質(zhì)分布圖Fig.10 The nephogram of media distribution

2.3 實(shí)車測試

通過實(shí)車測試，對(duì)散熱器仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過在散熱器進(jìn)出口分別添加溫度、壓力傳感器，對(duì)散熱器進(jìn)行溫度、壓力測試。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)動(dòng)過程中，散熱器進(jìn)、出水口溫度測試結(jié)果，如圖11所示。

散熱器進(jìn)口及出口壓力對(duì)比圖如圖12所示。

圖11 進(jìn)出口溫度對(duì)比圖Fig.11 The comparison of import and export temperature

圖12 進(jìn)出口壓力對(duì)比圖Fig.12 The comparison of import and export pressure

2.4 結(jié)果分析

通過GT-COOL與ANSYSL兩種仿真軟件分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：GT-COOL仿真結(jié)果為散熱器出口溫度為364 K，進(jìn)出口溫度差為9 K。散熱器出口壓力為1.497 bar，散熱器進(jìn)出口壓降為0.073 bar。ANSYS仿真結(jié)果為散熱器進(jìn)口溫度設(shè)定373 K，進(jìn)出口溫度差為13 K，進(jìn)口壓力設(shè)定為1.55 bar，壓降為1.48 bar。

同樣工況下，實(shí)車測試出水口溫度為361 K，進(jìn)出口溫差為9.6 K。實(shí)車測試散熱器出口壓力為1.50 bar，散熱器進(jìn)出口壓降為0.05 bar。實(shí)車測試結(jié)果表明仿真結(jié)果與實(shí)車測試結(jié)果相近，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

通過建立的某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其溫度、壓力機(jī)速度場的仿真，結(jié)合實(shí)車測試結(jié)果表明，散熱器設(shè)計(jì)良好，能夠有效滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱要求。

[1]李夔寧，周 偉，郭春雷.汽車散熱器性能試驗(yàn)與仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33(7)：1079-1082.

[2]李夔寧，郭軍峰，李 進(jìn)，等.汽車散熱器性能試驗(yàn)臺(tái)研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(7)：124-128.

[3]郭學(xué)勤，劉瑞祥.基于GT-COOL的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系散熱能力影響研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010(6)：30-32.

[4]羅馬吉，朱高輝，詹志剛，等.基于GT-COOL的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真[J].熱能動(dòng)力工程，2010，25(5)：93-96.

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Simulation analysis of radiator of engine cooling system based on GT-COOL

LIU Fei，F(xiàn)ENG Jindun
(School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei University of Engineering， Hebei Handan， 056038， China)

In this paper， GT - COOL software is applied to build one dimension model of a certain type of engine cooling system. The temperature of import and export， import and export pressure in engine extreme working conditions are analyzed. Compared the simulation results， the simulation results show that the design of the radiator performance can meet the requirements of the vehicle cooling performance.

cooling system； radiator； GT-COOL； simulation analysis

U464.138

A

1673-9469（2017）03-0101-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.022

2017-06-20 特約專稿

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2016402066）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2015159）

劉飛（1983-），男，河北邯鄲人，博士，講師，從事車輛系統(tǒng)理論及技術(shù)方面的研究。