德T.WAGNER H.ROTTENGRUBER F.MANDL M.GRILL

摘要

通過對復(fù)雜的熱管理方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出精度更高且動(dòng)態(tài)效果更佳的發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分布系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在德國內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)（FVV）的“精確熱管理”項(xiàng)目（FVV-Nr.1266）框架中，奧托·馮·格里克馬格德堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員針對發(fā)動(dòng)機(jī)水套開展了相關(guān)研究。通過應(yīng)用模擬技術(shù)來優(yōu)化冷卻效率，其中重點(diǎn)關(guān)注了比三維（3D）模擬更經(jīng)濟(jì)的一維（1D）模擬。

關(guān)鍵詞

發(fā)動(dòng)機(jī);熱管理;冷卻水套

0 前言

由于氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)領(lǐng)域的研究人員將研究重點(diǎn)集中到了改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率和降低廢氣排放上。通過選用更為有效的開發(fā)環(huán)境，研究人員對發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量分布進(jìn)行了優(yōu)化。因此，德國奧托·馮·格里克馬格德堡大學(xué)汽車系統(tǒng)研究所（IMS）和斯圖加特大學(xué)的斯圖加特汽車技術(shù)研究所（IFS）的相關(guān)研究人員開展了一系列研究，其研究的目標(biāo)是改進(jìn)一維（1D）模擬的建模，優(yōu)化三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（3D-CFD）和測量技術(shù)的成本。

1 1D模擬

除了燃燒室中的直接熱交換之外，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中還存在著大量的熱交換過程，例如間接式增壓空氣冷卻器、水冷式排氣歧管，以及商用車領(lǐng)域中的廢熱回收系統(tǒng)（WHR）。在熱管理策略框架中，采用智能調(diào)節(jié)過程也是必不可少的，以此能精確并動(dòng)態(tài)地控制系統(tǒng)中的熱量分布。研究人員對此開展了一系列優(yōu)化，使得在早期開發(fā)階段中的模擬過程就已具備了較好的效果，但是還需要開展有關(guān)瞬態(tài)特性的試驗(yàn)。因此，在該類開發(fā)過程中，研究人員必然要用到1D模擬方法[1]。

2 1D模擬的方式與方法

1D建模的方式與方法如圖1所示。研究人員通過熱量和光學(xué)測量方法采集了試驗(yàn)載體，并采用已驗(yàn)證的3D-CFD模型來對其進(jìn)行模擬，從而構(gòu)成了1D建模的基礎(chǔ)。在模型容積得以分解的情況下，研究人員考察了1D模型內(nèi)的三維（3D）流動(dòng)效應(yīng)，以提高模擬結(jié)果的可靠性。在分解的概念下，研究人員將真實(shí)3D流動(dòng)區(qū)域的空間細(xì)分為更小的區(qū)域。在考慮到物理現(xiàn)象和流動(dòng)特性的情況下，研究人員通過3D-CFD模型，對這種方法進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)重新開發(fā)了專門用于計(jì)算冷卻水套總體結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法，推導(dǎo)出具有增強(qiáng)效果的1D流動(dòng)模型。在采用大型發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，研究人員對這種新開發(fā)的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，推導(dǎo)出了能用于高效預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套1D模擬過程的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

圖1 研究項(xiàng)目的方式、方法及工作順序

3 模擬精度的比較

研究人員采用了參考文獻(xiàn)[2，3]中提到的2.0 L轎車柴油機(jī)，并將其作為實(shí)施該方法的試驗(yàn)樣機(jī)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)配備了參考文獻(xiàn)[2]中所提到的，可用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。對于熱分析而言，研究人員需要在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上采用具有合適運(yùn)行工況點(diǎn)的試驗(yàn)程序，此外還要對穩(wěn)態(tài)特性曲線場進(jìn)行測量，并將局部熱邊界條件的試驗(yàn)結(jié)果與涉及到零部件溫度的3D-CFD模型進(jìn)行比較。研究人員通過采用粒子影像速度測量（PIV）方法對氣缸體曲軸箱（ZKG）水套進(jìn)行光學(xué)測量，此時(shí)就能確定流動(dòng)速度的矢量場，再用相應(yīng)的3D-CFD模型對其進(jìn)行調(diào)整。

圖2示出了某個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)下的光學(xué)測試結(jié)果，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 350 r/min，冷卻液體積流量為18 L/min。在這種低轉(zhuǎn)速的工況下，紊流流動(dòng)過程已分布于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套中。PIV測量與3D-CFD模擬結(jié)果具有良好的一致性，并與模型的網(wǎng)狀連接、紊流建模和邊界條件有著較好的匹配性。組合調(diào)整使得光學(xué)測量結(jié)果具有與3D-CFD模擬結(jié)果幾乎一致的圖像。同時(shí)，研究人員將零部件溫度、熱平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套及其周圍結(jié)構(gòu)件的高溫3D-CFD模型與相應(yīng)的測量計(jì)算過程相比較，也具有良好的效果。研究人員通過將特性曲線場與3D-CFD模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得出在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的最大溫度偏差為2.0 K。研究人員能通過所建立的模擬模型，來充分預(yù)測冷卻水溫的升高現(xiàn)象，并得出了相關(guān)結(jié)論：冷卻水在流經(jīng)氣缸蓋時(shí)，會(huì)使其溫度升高2.5～10.0 K。正如研究人員所預(yù)測的那樣，在250 N·m的高扭矩工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在1 500～2 000 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)最大的溫差。

圖2 針對氣缸體曲軸箱水套的PIV測量和流動(dòng)特性模擬

在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場的所有范圍內(nèi)，就傳入冷卻水的能量預(yù)測方面而言，模擬模型具有令人滿意的精度。換言之，燃燒模型與計(jì)算得到的傳熱結(jié)果之間具有非常好的協(xié)調(diào)性。

4 1D分解

研究人員在對流動(dòng)問題進(jìn)行精細(xì)分解的同時(shí)，也相應(yīng)提高了模型在結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定及應(yīng)用等方面的復(fù)雜性。為充分解決該問題，研究人員需要采用理想的分解策略，并應(yīng)遵循下列原則：（1）1D冷卻水套模型的應(yīng)用場景;（2）需要對模型總體和局部的尺寸進(jìn)行考察;（3）有關(guān)幾何學(xué)、測量數(shù)據(jù)和3D-CFD模擬的可用數(shù)據(jù)狀況;（4）1D模擬環(huán)境中的邊界條件（燃燒放熱、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)）;（5）物理性能，例如流動(dòng)特性、壁面溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套等不同區(qū)域的熱傳導(dǎo)。

圖3（a）示出了1款轎車柴油機(jī)的分解狀況，圖3（b）示出了1臺(tái)大型發(fā)動(dòng)機(jī)的分解狀況。根據(jù)圖中所示的流線，研究人員對不同的流動(dòng)特性進(jìn)行了識(shí)別：轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用橫流式氣缸，大型發(fā)動(dòng)機(jī)采用縱流式氣缸。研究人員對冷卻水套的基本流動(dòng)圖及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和氣缸蓋中的熱負(fù)荷進(jìn)行了分解。考慮到傳熱計(jì)算過程，研究人員還應(yīng)針對機(jī)體和氣缸蓋單獨(dú)確定模型參數(shù)。

圖3 轎車柴油機(jī)（a）和大型發(fā)動(dòng)機(jī)（b）的流動(dòng)特性（3D-CFD）與實(shí)用分解

5 1D模擬中的傳熱計(jì)算

在1D模擬中，壁面與冷卻液之間的熱流量可按照牛頓方程式，用傳熱系數(shù)α、面積A、壁面溫度TW和冷卻液溫度TF進(jìn)行計(jì)算，如式（1）所示。

Q·=α·A·（TF-TW）（1）

為了表達(dá)α與導(dǎo)熱率λ和特征長度L的相互關(guān)系，研究人員采用了源自相似理論的無量綱特性系數(shù)的方法表示，如式（2）和式（3）所示。

α=λL·Nu（2）

Nu=Nu（RePr）=a·Reb·Prc（3）

式2示出了α與努塞爾數(shù)N u之間的關(guān)系，它描述了固體表面與流動(dòng)液體之間的強(qiáng)迫對流傳熱，而努塞爾數(shù)又能用雷諾數(shù)R e和普朗特?cái)?shù)Pr來描述。這種努塞爾關(guān)系在式3中通常用參數(shù)a、b、c來表示，而在文獻(xiàn)中，努塞爾關(guān)系則用作于簡化某些幾何流動(dòng)問題的參數(shù)。對于幾何形狀復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套中的傳熱過程而言，上述關(guān)系的精度尚有待提升[4]，因而研究人員有必要借助于3D-CFD模擬來確定這些參數(shù)。

在1D模擬過程中，研究人員通常以1D流動(dòng)容積來進(jìn)行建模。圖4示出了在1D傳熱計(jì)算過程中，研究人員要考慮哪些關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)和流體特性的信息。

圖4 1D傳熱計(jì)算的模型概念

進(jìn)一步的修正能獲得更高的結(jié)果品質(zhì)，研究人員對比需要考慮層流與紊流之間的過渡、每個(gè)流動(dòng)交接區(qū)的精確加權(quán)平均數(shù)和擴(kuò)展的輸出量。借助于進(jìn)口質(zhì)量流量（影響雷諾數(shù)）和進(jìn)口溫度（影響普朗特?cái)?shù)）的變化，研究人員就能理想地對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并通過3D-CFD模型為機(jī)體和氣缸蓋推導(dǎo)出單獨(dú)的參數(shù)組。在采用大型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，研究人員還附加推導(dǎo)出了可用于燃燒室頂管道網(wǎng)格的第3個(gè)參數(shù)組。

6 試驗(yàn)結(jié)果

轎車柴油機(jī)和大型發(fā)動(dòng)機(jī)的1D模擬結(jié)果如圖5所示。在圖中，研究人員將各自的3D-CFD模擬作為比較基準(zhǔn)。除了標(biāo)定工況點(diǎn)之外，研究人員還對更多的工況點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究人員在1D和3D-CFD模擬之間加入了熱量的百分偏差（分別示于圖5（b）和圖5（e）），并將其作為評價(jià)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。上述偏差可用柱狀圖表示，其中可按照運(yùn)行工況點(diǎn)和不同的冷卻水套范圍來進(jìn)行劃分。根據(jù)結(jié)果可知，2種試驗(yàn)載體加入熱量的精度偏差小于5%，最大偏差發(fā)生在大型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋區(qū)域及冷卻水套上。在采用這種試驗(yàn)載體的前提下，研究人員通過對單個(gè)氣缸的傳熱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步減小了偏差。

圖5 轎車柴油機(jī)和大型發(fā)動(dòng)機(jī)的1D模擬結(jié)果概況，以及在運(yùn)行工況點(diǎn)條件下加入熱量的平均絕對偏差

7 結(jié)論

如上文所述，研究人員開發(fā)了1種實(shí)用的1D發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套建模通用方法，其重點(diǎn)在于針對3D幾何形狀的分解策略，以及借助于努塞爾關(guān)系的傳熱計(jì)算方法。在該建模過程中，采用3D-CFD模型是進(jìn)行比較的基礎(chǔ)和準(zhǔn)則。研究人員可通過整機(jī)的熱量平衡和冷卻水套中的光學(xué)PIV測量來確保試驗(yàn)結(jié)果的品質(zhì)。同樣，這種方法在大型發(fā)動(dòng)機(jī)上也得到了驗(yàn)證，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。考慮到2種水套尺寸大小和流動(dòng)特性的不同，研究人員通過對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，證實(shí)了這種方法的普遍有效性，并得出了如下結(jié)論：相對于總加熱量而言，1D傳熱計(jì)算結(jié)果的精度偏差通常小于5%。

參考文獻(xiàn)

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2021，82（4）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2021-04-20）