張克鵬 蔡培裕 樓軍 康志軍

（浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司）

整車前艙熱管理性能是整車性能開發(fā)中的一個關(guān)鍵指標(biāo)，前艙溫度場直接影響艙內(nèi)零部件的性能及可靠性。傳統(tǒng)開發(fā)過程中，整車熱環(huán)境測試要在車輛開發(fā)后期的實車上進(jìn)行，開發(fā)周期長且風(fēng)險較高。因此在整車開發(fā)初期，通過CFD技術(shù)進(jìn)行前艙溫度場分析，直觀地發(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、提出合理的改進(jìn)建議就顯得尤為重要。相對于傳統(tǒng)車輛，混合動力汽車在動力系統(tǒng)方面更加復(fù)雜，不僅和傳統(tǒng)車輛一樣具有發(fā)動機(jī)、排氣系統(tǒng)等熱源，而且有動力電池、驅(qū)動電機(jī)等熱源，動力電池與驅(qū)動電機(jī)帶有獨立的冷卻系統(tǒng)，使得機(jī)艙里的布置更加緊湊，因此，對整車機(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的風(fēng)洞試驗和計算流體動力學(xué)（CFD）仿真來研究汽車的空氣動力學(xué)性能[1]。文章利用CFD軟件對某混合動力汽車進(jìn)行數(shù)值模擬，對關(guān)鍵零部件在典型工況下的溫度場進(jìn)行分析評估，并提出改進(jìn)建議。

1 流體力學(xué)方程

計算流體力學(xué)是把描述空氣運動的連續(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)值計算方法求解方程組，得到流場的數(shù)值解，然后通過不同的擬合方法把節(jié)點解擬合到網(wǎng)格的對應(yīng)區(qū)域。

流體流動時所有介質(zhì)滿足物理守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[2]。在流體流動處于湍流狀態(tài)時，整個體系還要遵循湍流運輸方程。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CFD軟件中提供的Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程。連續(xù)方程、動量方程及能量方程，分別如式（1）～式（3）所示。

式中：ui，uj——平均速度分量，m/s；

xi，xj——坐標(biāo)分量；

p——流體微元體上的壓力，N；

μeff——湍流有效粘性系數(shù)，Pa·s；

T——熱力學(xué)溫度，K；

U——平均速度，m/s；

k——流體換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

ρ——流體體積質(zhì)量，kg/m3；

Cp——流體比熱容，J/（kg·K）；

ST——流體內(nèi)熱源和由粘性作用引起的流體機(jī)械能轉(zhuǎn)變的熱能，J。

2 模型建立及邊界條件

2.1 模型建立

計算模型為某混合動力汽車，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)及進(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4 472 394。整車前艙內(nèi)細(xì)節(jié)模型，如圖1所示。

圖1 整車前艙局部細(xì)節(jié)模型

進(jìn)行整車CFD分析時，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，計算域上部留6倍車高，左右各留5倍車寬。從車輛空氣動力學(xué)研究經(jīng)驗來看，汽車風(fēng)洞試驗過程中，汽車尾部有一個比較大的湍流區(qū)域，這個區(qū)域的流動非常紊亂，數(shù)值計算過程中，這個區(qū)域如果模擬得不好，會對結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。所以汽車尾部一般設(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，汽車前部區(qū)域也要留出一定的空間，前部取4倍車長[3]。

由于重點考慮前艙溫度場，同時為了減小整個模型的網(wǎng)格數(shù)量，該車前部取2倍車長，尾部取3倍車長，上部留4倍車高，左右各留2倍車寬。整車體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格在CFD軟件中生成。在網(wǎng)格生成過程中，指定網(wǎng)格最小尺寸為2 mm，最大尺寸為512 mm，邊界層厚度為3 mm，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，將汽車附近的區(qū)域網(wǎng)格劃分得比較密，遠(yuǎn)離車身的區(qū)域網(wǎng)格密度依次變得稀疏，目的是為了保證在捕捉到溫度場的細(xì)節(jié)和提高計算穩(wěn)定性收斂性的同時，能控制網(wǎng)格總體數(shù)量，節(jié)約計算時間。最終生成體網(wǎng)格數(shù)量為42 892 952。圖2示出整車虛擬風(fēng)洞體網(wǎng)格模型。圖3示出整車中心對稱面處切面圖，其可顯示整個模型加密區(qū)域。

圖2 整車虛擬風(fēng)洞體網(wǎng)格模型

圖3 整車中心對稱面切面圖

2.2 邊界條件的設(shè)定

2.2.1 分析工況

在進(jìn)行混合動力汽車機(jī)艙熱管理的數(shù)值模擬過程中，一般設(shè)定低速爬坡和最大速度2個典型工況，具體工況參數(shù)，如表1所示。

表1 某混合動力車型機(jī)艙熱管理分析工況具體參數(shù)

2.2.2 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4所示。

圖4 某混合動力車型換熱器模型

由于這些模型具有特征小和密度集中的特點，如果生成體網(wǎng)格來計算，運行速度緩慢且無必要，從工程角度更多關(guān)注的是換熱芯體對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模型中看作是連續(xù)分布的，芯體沿氣流方向的流動假設(shè)為多孔介質(zhì)流動，流體只沿氣流軸向方向，不存在其他方向質(zhì)量交換。在CFD軟件中，多孔介質(zhì)的壓降公式表示為：

式中：Δp——流體經(jīng)過多孔介質(zhì)后的壓降，Pa；

Pi——多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)，kg/m3；

v——流體經(jīng)過多孔介質(zhì)的等效速度，m/s；

Pv——多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)，kg/(m2·s)；

L——多孔介質(zhì)軸向長度，m。

該車型的多孔介質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2 某混合動力車型多孔介質(zhì)參數(shù)

2.2.3 熱邊界設(shè)定

汽車運行過程中，主要的熱源來自于各熱交換器、發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)。熱交換器熱源定義，如表1所示，發(fā)動機(jī)相關(guān)熱邊界條件定義，如表3所示。排氣管表面溫度邊界，如圖5所示。

表3 某混合動力車型發(fā)動機(jī)熱邊界條件 ℃

圖5 某混合動力車型排氣系統(tǒng)表面溫度

除了熱對流之外，熱輻射也是前艙及排氣管對周邊部件的主要影響因素，計算過程中需充分考慮該因素。圖6示出排氣管路圖，圖6中的隔熱材料及熱性能參數(shù)，如表4所示。材料混合順序為從外到內(nèi)。

圖6 某混合動力車型排氣管路圖

表4 某混合動力車型排氣管路隔熱材料及熱屬性 W/(m·K)

3 CFD計算結(jié)果分析

3.1 流場分析

圖7示出該混合動力車型CFD分析的流場分布圖。從圖7可以看出：爬坡工況和最高車速工況在冷卻模塊前端流場基本一致，空氣離開風(fēng)扇后快速分離，經(jīng)過發(fā)動機(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)向汽車后方流動，輪罩處的氣流在汽車兩側(cè)緊貼車身繼續(xù)向汽車后方流動，最后氣流在汽車后方匯合形成渦流。

圖7 某混合動力車型CFD分析的流場分布圖

3.2 冷卻模塊分析

由于在前艙內(nèi)冷卻模塊布置比較緊密，而且該處也是主要的熱源分布區(qū)域，因此重點考察該區(qū)域。表5示出2種工況下冷卻模塊氣流量及平均溫度分布結(jié)果。

表5 某混合動力車型冷卻模塊氣流量及平均溫度分布

從表5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)動電機(jī)散熱器和動力電池散熱器后，最后經(jīng)過發(fā)動機(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)動電機(jī)散熱器小很多，所以2個工況中，氣流經(jīng)過冷凝器后，到達(dá)驅(qū)動電機(jī)散熱器出口表面的溫度較動力電池出口表面的溫度低；由于最高車速工況的車速較高，經(jīng)過各個熱交換器的氣流量較大，能帶走更多的熱量，所以該工況中各換熱器出口表面的溫度較爬坡工況低。

圖8示出2種工況的前艙溫度場分布云圖。從圖8中可以看出：在爬坡工況，在發(fā)動機(jī)散熱器后方就出現(xiàn)溫度超過85℃的氣流，且在經(jīng)過發(fā)動機(jī)時，發(fā)動機(jī)周邊溫度都超過了85℃。雖然最高車速工況中各個熱交換器的發(fā)熱量比爬坡工況都大，但是由于氣流流速較大，散熱效率較爬坡工況強(qiáng)，因此總體來說，爬坡工況的熱環(huán)境較最高車速工況更加惡劣。

圖8 某混合動力車型前艙溫度場分布云圖

3.3 關(guān)鍵件溫度場分析3.3.1 前副車架及地板

圖9示出2種工況的前副車架和地板處的溫度場云圖。從圖9可以看出，由于前副車架和地板都暴露在排氣管路上，爬坡工況的結(jié)果顯示其在排氣管路附近的溫度都達(dá)到了160℃。最高車速工況的結(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℃。該溫度范圍對材料的剛度和強(qiáng)度影響不是十分顯著，但是對于前副車架的防腐涂層會有一定的影響。

圖9 某混合動力車型前副車架和地板溫度場分布云圖

3.3.2 高壓電管路

圖10示出2種工況的高壓電管路處的溫度場云圖。從圖10可以看出，由于高壓管路在渦輪增壓器和其隔熱罩附近，爬坡工況的溫度結(jié)果顯示，其局部溫度已經(jīng)達(dá)到120～138℃，最高溫度甚至達(dá)到150℃。高壓管路溫度的目標(biāo)值在180℃，不過該值僅考慮了絕緣套管材料的熱退化，沒有考慮導(dǎo)體本身溫度的影響。最高車速工況的結(jié)果顯示，高壓管路最高溫度在120℃，在目標(biāo)值范圍以內(nèi)。雖然爬坡工況較最高車速工況的溫度值惡劣，但都在容許范圍內(nèi)。

圖10 某混合動力車型高壓管路溫度場分布云圖

3.3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖11示出2種工況的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處的溫度場云圖。從圖11可以看出，由于轉(zhuǎn)向齒條的中部在催化器附近，2種工況的最大溫度區(qū)域都已經(jīng)達(dá)到200℃，最高溫度甚至達(dá)到225℃，超過其限定溫度（120℃）。因此在該區(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11 某混合動力車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)溫度場分布云圖

3.4 試驗對比結(jié)果

在帶有環(huán)境的風(fēng)洞中進(jìn)行該車型熱平衡試驗。表6示出冷卻模塊氣流量仿真與試驗結(jié)果對比，表7示出關(guān)鍵件溫度檢測點測試結(jié)果。

表6 某混合動力車型冷卻模塊氣流量仿真與試驗結(jié)果對比

表7 某混合動力車型關(guān)鍵件溫度仿真與試驗結(jié)果對比

從表6和表7中可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的冷卻模塊流量誤差都在7%以內(nèi)，關(guān)鍵件溫度誤差最大為10%，這是由于仿真計算過程中忽略了對流換熱的影響。仿真與試驗結(jié)果在各自的絕對值方面有一定差別，但是趨勢和幅度基本一致。因此利用CFD仿真結(jié)果可以對后續(xù)設(shè)計優(yōu)化提供有效支持。

4 結(jié)論

文章利用CFD軟件對某混合動力車型機(jī)艙進(jìn)行熱管理仿真分析研究，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，證明仿真分析的可靠性；通過對關(guān)鍵零部件處的溫度場分析，提出風(fēng)險存在位置，在后續(xù)設(shè)計過程中需要進(jìn)行優(yōu)化。在下一步的車型開發(fā)過程中，建議在設(shè)計方案定型前，進(jìn)行充分的仿真分析驗證，從而有效避免在高壓線束等關(guān)鍵部件出現(xiàn)高溫區(qū)域。