浙江吉利新能源商用車有限公司 張羽翼 張克鵬

一、引言

整車前艙熱管理性能是整車性能開發(fā)中一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，前艙溫度場(chǎng)直接影響艙內(nèi)零部件性能及可靠性，傳統(tǒng)開發(fā)過程中，整車熱環(huán)境測(cè)試要在車輛開發(fā)后期的實(shí)車進(jìn)行測(cè)試，開發(fā)周期長且風(fēng)險(xiǎn)較高。因此在整車開發(fā)初期，通過CFD技術(shù)進(jìn)行前艙溫度場(chǎng)分析，直觀發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)和高溫排氣系統(tǒng)周圍溫度分布情況，找出問題，提出合理改進(jìn)建議就顯得尤為重要了。

相對(duì)于傳統(tǒng)車輛，混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力系統(tǒng)方面更加復(fù)雜，不僅和傳統(tǒng)車輛一樣擁有發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)等熱源，而且有動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等熱源，動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶有獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，機(jī)艙里面的布置更加緊湊，因此，對(duì)整車機(jī)艙內(nèi)的熱量釋放要求更高。

近年來，全世界的汽車制造商都依賴于耗時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真來研究汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。本文利用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)某混合動(dòng)力汽車進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)關(guān)鍵零部件在典型工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析評(píng)估，并提出改進(jìn)建議。

二、流體力學(xué)及傳熱學(xué)方程

計(jì)算流體力學(xué)是把描述空氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散成大型代數(shù)方程組，并在計(jì)算機(jī)上求解。通過微分方程的離散化和代數(shù)化，把偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，再通過適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解方程組，得到流場(chǎng)的數(shù)值解，然后通過不同的擬合方法把節(jié)點(diǎn)解擬合到網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)區(qū)域。

流體流動(dòng)時(shí)所有介質(zhì)滿足物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，整個(gè)體系還要遵循湍流運(yùn)輸方程。以上這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，統(tǒng)稱為控制方程。文中選用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程：

（1）連續(xù)方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）能量方程：

式中：ui、uj是平均速度分量，xi、xj為坐標(biāo)分量，p是流體微元體上的壓力，μeff是湍流有效黏性系數(shù)，T是溫度，k為流體換熱系統(tǒng)，Cp為流體比熱容，ST是流體內(nèi)熱源和由粘性作用引起流體機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

由于在對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行雷諾時(shí)均處理過程中，引入與湍流脈動(dòng)值有關(guān)的新的變量項(xiàng)-（雷諾應(yīng)力項(xiàng)）。為了使方程組封閉，必須對(duì)雷諾應(yīng)力做出假設(shè)，即建立應(yīng)力表達(dá)式或引入新的湍流模型方程，通過這些表達(dá)式或湍流模型，把湍流的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型應(yīng)用于時(shí)均應(yīng)變率特別大的情況時(shí)，有可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力，為了使流動(dòng)符合湍流流動(dòng)的規(guī)律，需要對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行某種數(shù)學(xué)約束。從而提出了Realizable k-ε模型中關(guān)于k和ε的運(yùn)輸方程。

（1）湍流動(dòng)能k方程：

（2）湍流動(dòng)能耗散率ε方程：

式中：ρ為流體密度，Gk為因平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)：

（3）湍流有效黏性系數(shù)μeff：

三、模型建立及邊界條件

1.模型建立

計(jì)算模型為某混合動(dòng)力汽車，采用CATIA建立其三維模型。前艙熱管理分析模型包括前艙總成、車身總成、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)，在前處理軟件中進(jìn)行幾何清理和面網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格全部采用三角形網(wǎng)格，最終形成Triangle網(wǎng)格數(shù)為4472394，整車模型及前艙內(nèi)細(xì)節(jié)模型如圖1、圖2所示。

圖1 整車面網(wǎng)格模型

圖2 前艙局部細(xì)節(jié)模型

進(jìn)行整車CFD分析時(shí)，其模擬風(fēng)洞要減小其阻塞效應(yīng)，研究表明，低于1%的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，阻塞干擾產(chǎn)生的誤差才不需要修正。根據(jù)這一理論，計(jì)算域上部留6倍車高，左右各5倍車寬，從車輛空氣動(dòng)力學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)來看，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，汽車尾部有一個(gè)比較大的湍流區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的流動(dòng)非常紊亂，數(shù)值計(jì)算過程中，這個(gè)區(qū)域如果模擬得不好對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重大的影響。所以車輛尾部一般設(shè)定8倍車長的區(qū)域，保證汽車湍流區(qū)域充分發(fā)展；對(duì)于汽車前部，由于設(shè)定的風(fēng)洞入口的風(fēng)速比較穩(wěn)定，為了充分模擬汽車前部的空氣流動(dòng)，汽車前部區(qū)域也要留出一定的空間，前部取4倍車長。

由于重點(diǎn)考慮前艙溫度場(chǎng)，同時(shí)為了減小整個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)量，該車前部取LS為2倍車長，車輛尾部取3倍車長，上部留4倍車高，左右各2倍車寬。整車體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格在STAR-CCM+中生成。在STAR-CCM+中，指定網(wǎng)格最小尺寸為2mm，最大尺寸為512mm，邊界層厚度3mm，邊界層數(shù)為3層。通過體網(wǎng)格局部加密功能（Volumetric Controls）進(jìn)行局部加密，車輛附近的區(qū)域網(wǎng)格劃分比較密，遠(yuǎn)離車身的區(qū)域網(wǎng)格密度依次變得稀疏。目的是為了保證捕捉到溫度場(chǎng)的細(xì)節(jié)和提高計(jì)算穩(wěn)定性收斂性的同時(shí)，能控制網(wǎng)格總體數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，最終生成體網(wǎng)格數(shù)量為42892952，圖3為其虛擬風(fēng)洞體網(wǎng)格模型。圖4為中心對(duì)稱面處切面圖，可以顯示整個(gè)模型加密區(qū)域。

圖3 整車體網(wǎng)格模型

圖4 整車體網(wǎng)格模型

2.邊界條件的設(shè)定

（1）分析工況。在進(jìn)行混合動(dòng)力汽車前艙熱管理的數(shù)值模擬過程中，一般設(shè)定有工況1低速爬坡工況和工況2最大速度2個(gè)典型工況，具體工況如表1所示。

表1 分析工況

（2）熱交換器設(shè)定。車輛熱交換模塊的散熱器、冷凝器等模型，如圖5所示。由于這些模型具有特征小，密度集中的特點(diǎn)，如果生成體網(wǎng)格來計(jì)算，運(yùn)行速度緩慢且無必要，從工程角度更多關(guān)注換熱芯體對(duì)整體性能及氣流的影響。一般把沿?fù)Q熱芯體的氣流在整個(gè)模型中看作連續(xù)

圖5

分布的氣流，芯體沿氣流方向的流動(dòng)假設(shè)為多孔介質(zhì)流動(dòng)，流體只沿氣流軸向方向，不存在其他方向質(zhì)量交換。在STAR-CCM+中，多孔介質(zhì)的壓降公式表示為：

式中，△p為流體經(jīng)過多孔介質(zhì)后的壓降，單位為Pa；Pi為多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)，單位為kg/m3；v為流體經(jīng)過多孔介質(zhì)的等效速度，單位為m/s；Pv為多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)，單位kg/m2·s；L為多孔介質(zhì)軸向長度，單位為m。

該車型冷凝器、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器、動(dòng)力電池散熱器的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 多孔介質(zhì)參數(shù)

（3）熱邊界設(shè)定。車輛運(yùn)行過程中，主要的熱源來自于各熱交換器、發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)，熱交換器熱源定義如表1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)熱邊界條件定義如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱邊界條件

排氣管表面溫度邊界如圖6、圖7所示。其中圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500rpm時(shí)各零部件表面的溫度，圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4000rpm時(shí)各零部件表面的溫度。

圖6 轉(zhuǎn)速2500rpm排氣系統(tǒng)表面溫度

圖7 轉(zhuǎn)速4000rpm排氣系統(tǒng)表面溫度

前艙及排氣管對(duì)周邊部件的影響除了熱對(duì)流之外，熱輻射也是主要的影響因素，計(jì)算過程中充分考慮系統(tǒng)的熱輻射影響因素，圖8為排氣管路隔熱材料及熱性能參數(shù)，材料混合為從外到內(nèi)順序。

圖8 排氣管路隔熱材料及熱屬性

四、CFD計(jì)算結(jié)果分析

1.流場(chǎng)分析

圖9、圖10分別為工況1（爬坡工況）和工況2（最高車速）的流場(chǎng)分布。

圖9 工況1流場(chǎng)等值線圖

圖10 工況2流場(chǎng)等值線圖

通過圖9、圖10可以看出，工況1和工況2在冷卻模塊前端流場(chǎng)基本一致，空氣離開風(fēng)扇后快速分離，經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)后流向機(jī)艙上方和前輪罩方向，機(jī)艙上方的氣流繼續(xù)車輛后方流動(dòng)，輪罩處的氣流在車輛兩側(cè)緊貼車身繼續(xù)向車輛后方流動(dòng)，最后氣流在車輛后方匯合形成渦流。

2.冷卻模塊分析

由于在前艙內(nèi)，冷卻模塊布置比較緊密，而且也是主要熱源分布區(qū)域，因此重點(diǎn)考察該區(qū)域。表4為工況下冷卻模塊氣流量及平均溫度分布結(jié)果。

表4 冷卻模塊氣流量及平均溫度分布

從表4中可以看出，氣流從前艙格柵進(jìn)入機(jī)艙后，先后經(jīng)過冷凝器、并排的驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器和動(dòng)力電池散熱器后，最后經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器和風(fēng)扇，出口表面溫度逐步上升，由于電池散熱器的發(fā)熱量較驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器小很多，所以兩個(gè)工況中，氣流經(jīng)過冷凝器后，到達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器出口表面溫度較動(dòng)力電池出口表面溫度低；工況2車速較高，經(jīng)過各個(gè)熱交換器的氣流量較大，能帶走更多的熱量，所以工況2各換熱器出口表面溫度較工況1低。

圖11為工況1和工況2前艙溫度場(chǎng)分布云圖。從圖11中可以看出，工況1在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器后方就出現(xiàn)溫度超過85℃氣流，且在經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)周邊溫度都超過了85℃，雖然工況2各個(gè)熱交換器的發(fā)熱量比工況1都大，但是由于氣流流速較大，散熱效率較工況1強(qiáng)，因此總體工況1的熱環(huán)境較工況2更加惡劣。

圖11 前艙溫度場(chǎng)分布云圖

3.關(guān)鍵件溫度場(chǎng)分析

（1）前副車架及地板。圖12為工況1和工況2前副車架和地板處的溫度場(chǎng)云圖。

圖12 前副車架和地板溫度場(chǎng)分布云圖

前副車架和地板都暴露在排氣管路上，工況1結(jié)果顯示其在排氣管路附近的溫度都達(dá)到了160℃。工況2結(jié)果顯示地板上最高溫度達(dá)到145℃，而在副車架上，最高溫度都達(dá)到了200℃。該溫度范圍對(duì)材料的剛度和強(qiáng)度影響不是十分顯著，但是對(duì)于前副車架的防腐涂層會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）高壓電管路。圖13為工況1和工況2高壓電管路處的溫度場(chǎng)云圖。

a.工況1溫度云圖

圖13 高壓管路溫度場(chǎng)分布云圖

由于高壓管路在渦輪增壓器和其隔熱罩附近，工況1溫度結(jié)果顯示，局部溫度已經(jīng)達(dá)到120～138℃，最高溫度甚至達(dá)到150℃，高壓管路目標(biāo)值在180℃。不過高壓管路的目標(biāo)值僅僅考慮了絕緣套管材料的熱退化，沒有考慮導(dǎo)體本身溫度影響。工況2結(jié)果顯示高壓管路最高溫度在120℃，在目標(biāo)值范圍以內(nèi)。工況1較工況2惡劣，但都在容許范圍內(nèi)。

（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖14為工況1和工況2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處的溫度場(chǎng)云圖。

由于轉(zhuǎn)向齒條的中部在催化器附近，工況1和工況2的最大溫度區(qū)域都已經(jīng)到達(dá)200℃，最高溫度甚至達(dá)到225℃，超過其限定溫度120℃。因此該區(qū)域應(yīng)該考慮增加隔熱罩，以有效阻止來自于高溫催化器表面的溫度輻射。

圖14 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布云圖

4試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

在帶有環(huán)境的風(fēng)洞中進(jìn)行該車型熱平衡試驗(yàn)。表5為冷卻模塊流量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表6為關(guān)鍵件溫度檢測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果。

部件工況1仿真結(jié)果（kg/s）試驗(yàn)結(jié)果（kg/s） 誤差（%）冷凝器 0.98 1.02 4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器 0.46 0.44 4.3動(dòng)力電池散熱器 0.46 0.43 6.5發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器 1.05 0.98 6.7風(fēng)扇 1.17 1.09 6.8誤差（%）冷凝器 2.02 2.14 4.0驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器 0.94 0.95 1.1動(dòng)力電池散熱器 0.92 0.94 2.2發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器 1.70 1.64 3.5風(fēng)扇 1.60 1.55 3.1部件工況2仿真結(jié)果（kg/s）試驗(yàn)結(jié)果（kg/s）

表6 關(guān)鍵件溫度仿真與試驗(yàn)對(duì)比

從表5和表6中可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，冷卻模塊流量誤差都在7%以內(nèi)，關(guān)鍵件溫度誤差最大達(dá)到了10%，這是由于仿真計(jì)算過程中忽略了對(duì)流換熱的影響。仿真與試驗(yàn)在各自絕對(duì)值有一定差別，但是趨勢(shì)和幅度基本一致。因此可以利用CFD仿真結(jié)果對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有效支持。

五、結(jié)語

在新車型開發(fā)前期階段，利用STAR-CCM+對(duì)前艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，了解到冷卻模塊處流量及溫度場(chǎng)分布，并對(duì)關(guān)鍵件處的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，提出風(fēng)險(xiǎn)存在位置。最后將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在合理范圍之內(nèi)，證明仿真分析的可靠性，后續(xù)車型性能優(yōu)化過程中，可以提供有效技術(shù)支持。