韋尚軍 ，韋以文 ，唐榮江 ，2，陸增俊

（1.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，商用車(chē)技術(shù)中心，廣西 柳州545005；2.桂林電子科技大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展和科技不斷進(jìn)步，人們對(duì)駕乘舒適性的要求日益提高，而大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)與使用惡化了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境，影響了駕駛室熱舒適性。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種用計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，在熱舒適性研究方面取得廣泛應(yīng)用[1]。目前，歐美、日本等汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)CFD應(yīng)用研究處于領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)也在汽車(chē)領(lǐng)域逐步普及應(yīng)用推廣。通過(guò)數(shù)值模擬分析，可不受環(huán)境和試驗(yàn)場(chǎng)地等因素制約限制，迅速了解產(chǎn)品特性，在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問(wèn)題，并進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少售后問(wèn)題[2，3]。

針對(duì)客戶(hù)反饋的某型長(zhǎng)頭卡車(chē)駕駛室地板過(guò)熱問(wèn)題，本文通過(guò)建模后使用CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，找出駕駛室底地板溫度高的主要原因，確定了熱源熱害的影響程度及范圍，提出熱防護(hù)方案，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證防護(hù)方案的實(shí)際效果。

1 理論基礎(chǔ)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙中流場(chǎng)內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)可視為流體的湍流流動(dòng)，它是一種無(wú)規(guī)律的流體流動(dòng)狀態(tài)，具有很高的復(fù)雜性。目前的設(shè)計(jì)手段和模擬設(shè)備只能采用數(shù)值模擬的方式仿真模擬一些形態(tài)簡(jiǎn)單的湍流現(xiàn)象。考慮精確性和計(jì)算效率，應(yīng)用最多的就是k-ε模型，該模型引入了關(guān)于湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散ε的方程[4]。

湍流動(dòng)能k方程：

湍流動(dòng)能耗散ε方程：

式中：Gb為氣流引起的湍流動(dòng)能；Gk表示速度梯度引起的湍流動(dòng)能；YM為湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μ為湍流有效黏性系數(shù)；ρ為空氣密度；G1ε和 G2ε為參考常數(shù)，取 G1ε=1.44 和G2ε=1.92；Sε為區(qū)域源系數(shù)[5]；σk和 σε分別為湍流動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，常數(shù)取值 σk=1.0，σε=1.3.

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境影響主要包括通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射兩種方式，熱源主要是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。依據(jù)牛頓冷卻公式，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體與接觸的溫度不同的固體壁面之間，流體會(huì)從溫度高的一方傳導(dǎo)。

熱對(duì)流方程：

式中：Q為對(duì)流換熱熱量（W）；A為與流體接觸壁面面積（m2），又叫換熱面積；tw為固體表面溫度；tf為環(huán)境溫度。

如果輻射換熱跟對(duì)流和導(dǎo)熱傳熱處于相同數(shù)量級(jí)時(shí)需考慮輻射。

式中：Q為熱輻射力；ε為輻射率；tw為表面溫度；tf為環(huán)境溫度。其中輻射系數(shù)σ是黑體輻射常數(shù)[1]，為 5.6704 × 10-8W/（m2·K4）.

2 模型建立與仿真分析

2.1模型建立及邊界條件設(shè)定

建立一個(gè)包含車(chē)身、動(dòng)力總成、冷卻總成、進(jìn)排氣及駕駛室底板等各大系統(tǒng)的汽車(chē)機(jī)艙簡(jiǎn)化模型，保持零部件的表面特征，見(jiàn)圖1.將數(shù)模導(dǎo)入CFD軟件，采用多面體網(wǎng)格對(duì)數(shù)模進(jìn)行劃分，在進(jìn)氣格柵、線束區(qū)域進(jìn)行局部加密，以提高收斂性和計(jì)算精度，總網(wǎng)格數(shù)量為2 236萬(wàn)。

圖1 機(jī)艙簡(jiǎn)化數(shù)模

本次計(jì)算采用速度入口，壓力出口和壁面三種流動(dòng)邊界條件。整個(gè)流體計(jì)算區(qū)域分別設(shè)置為5倍車(chē)長(zhǎng)，3倍車(chē)寬和4倍車(chē)高，如圖2所示。并按表1設(shè)置計(jì)算初始邊界參數(shù)。

圖2 整車(chē)三維計(jì)算區(qū)域

表1 初始邊界參數(shù)

2.2仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用汽車(chē)輸出扭矩與發(fā)熱量最大的工況進(jìn)行模擬仿真，即模擬卡車(chē)滿(mǎn)載拖車(chē)行駛工況，得到駕駛室底地板表面排氣管正上方的溫度分布，如圖3所示。圖中可以看到排氣管溫度可以達(dá)到500多度，而排氣管正上方的駕駛室底部區(qū)域受到排氣管高溫輻射的影響，溫度也在53℃以上。

圖3 機(jī)艙駕駛室底地板溫度云圖

為了找出原因并驗(yàn)證仿真結(jié)果正確性，本文通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，即在實(shí)車(chē)機(jī)艙內(nèi)布置6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行摸底測(cè)試，測(cè)試圖如圖4所示。通過(guò)測(cè)試和仿真進(jìn)行對(duì)比得到6個(gè)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算值的差異，如表2所示。

圖4 機(jī)艙駕駛室底板實(shí)測(cè)圖

表2 測(cè)試值與模擬仿真值對(duì)比

從表2可知，位于排氣正上方的①②③⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度較其他測(cè)點(diǎn)更高，都在60℃以上，因而排氣系統(tǒng)散熱是導(dǎo)致駕駛室地板和檔位處過(guò)熱的重要原因。同時(shí)，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度誤差都在5%以?xún)?nèi)，仿真結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，可用于指導(dǎo)理論論證和方案整改，從而實(shí)現(xiàn)減少試驗(yàn)次數(shù)，提高效率，降低成本的目的。

2.3機(jī)艙熱環(huán)境控制

上述仿真結(jié)果表明，排氣系統(tǒng)熱源布置是影響駕駛室底鈑金地板過(guò)熱的主要因素。針對(duì)該問(wèn)題，本文擬采用在熱源表面增加隔熱材料的措施對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行控制，從而阻斷熱傳遞路徑，減少熱輻射對(duì)駕駛室的影響。

在前面建立的機(jī)艙模型排氣管平滑段表面增加隔熱材料層。材料介質(zhì)為玄武巖纖維，厚度為5 mm.仿真過(guò)程中以等效熱阻方式替代，進(jìn)行分析計(jì)算，如圖5所示。

圖5 排氣隔熱后溫度云圖

如圖5仿真溫度云圖所示，在排氣管表面增加隔熱材料后，排氣管表面和駕駛室底鈑金表面溫度明顯下降，其中地板最高溫度點(diǎn)①號(hào)測(cè)點(diǎn)表面溫度值為58.7℃，相對(duì)于優(yōu)化前仿真值降低12.8℃，降溫效果明顯。由此說(shuō)明對(duì)熱源表面采取隔熱措施，可以有效降低熱傳遞與熱輻射。

3 方案驗(yàn)證

3.1測(cè)試方案

為了驗(yàn)證上述仿真方案的實(shí)際改善效果，在某試驗(yàn)車(chē)的排氣管平滑段增加隔熱護(hù)套，隔熱套是一種由玄武巖纖維、玻纖無(wú)紡布和玻纖硅紡布三種材料組成的三層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。完成隔熱措施后進(jìn)行重載工況下的拖車(chē)試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)①號(hào)測(cè)點(diǎn)的表面溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖7所示。

圖6 隔熱層結(jié)構(gòu)圖

圖7 排氣隔熱后實(shí)車(chē)測(cè)試

3.2測(cè)試結(jié)果

增加隔熱護(hù)套后，駕駛室地板的①號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。從表中可見(jiàn)增加隔熱護(hù)套后的表面測(cè)試溫度為57.1℃，而未加護(hù)套前的同一測(cè)點(diǎn)溫度為69.4℃，降低了12.3℃.該測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。結(jié)果表明此次改進(jìn)措施顯著降低了排氣系統(tǒng)熱源表面溫度，抑制了熱輻射，達(dá)到改善效果。

表3 改善前后實(shí)測(cè)溫度對(duì)比匯總

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對(duì)商用車(chē)機(jī)艙進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，得出排氣熱源是造成駕駛室地板過(guò)熱的主要原因，仿真分析與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，表明CFD數(shù)值模擬分析方法具有可靠性，可指導(dǎo)方案優(yōu)化，替代部分后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，提高汽車(chē)設(shè)計(jì)效率。

（2）通過(guò)進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，駕駛室地板溫度明顯降低，證明了在熱源表面增加隔熱措施的有效性與必要性，對(duì)汽車(chē)零部件熱保護(hù)、駕駛室熱環(huán)境改善都有良好效果，對(duì)提高汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

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