机舱热管理气流流动分析与试验相关性研究

刘 鹏， 刘二宝， 刘成文

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定071000;2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定071000)

0 引言

在整车性能开发过程中，发动机冷却是影响其使用寿命、排放及油耗的重要因素，冷凝器散热对驾驶室空调降温性能有重要影响;试验表明，若满足发动机冷却和空调降温性能要求，首先应有适量的外界冷却空气流过冷却模块，将热量带走;同时流过冷却模块的被加热空气在机舱内的流动要合理，避免回流和涡流的产生。在设计阶段，准确计算流过散热器、冷凝器、中冷器、油冷器等部件的冷却空气的流量，对机舱内的各部件进行合理布置，提出合理的性能参数，是保证车辆散热性能的重要前提［1］。

1 机舱热管理试验研究

在上海同济大学地面交通工具风洞中心对某款排量为1.5 L手动5速轿车进行了机舱热管理和空调降温性能试验测试，以了解车辆发动机的冷却和空调制冷效果。

根据车辆发动机、变速器及空调系统的配置，共进行了三种工况的测试如表1，在冷凝器与散热器中间位置共布置了16个风速流量计如图1所示，详细测取流过冷凝器和散热器的风速和流量。

表1 机舱热管理试验工况

怠速(工况1)、最大扭矩(工况2)、70%最高车速(工况3)三种工况下通过冷凝器的风速结果如表2所示(列表中的测点编号与图1风速仪测点布置编号相对应)。

表2 三种工况下风速仪的风速m/s

三种工况下发动机的进出口水温及发动机机油温度如表3所示。三种工况下发动机的进出口水温差均在5℃以上，满足发动机冷却的要求;前排及后排乘客座头部温度在25℃左右，满足人体舒适性要求。

图1 散热器前部风速仪测点布置

表3 发动机进出口水温及机油温度

2 模型建立

机舱热管理分析中，对进入机舱的冷却空气影响比较大的重要部件有前保险杠、前保险杠进风格栅、散热器、冷凝器、风扇、冷却系统导流板、发动机、变速器等，这些部件的结构形状均较复杂，建立模型时较为困难，在分析模型建立时需要重点关注，需要考虑模型的细节保持和流体网格尺寸大小等因素对计算结果的影响［2］，需要考察各部件位置关系、性能参数等对机舱散热的影响。

2.1 理论基础

应用于轿车开发的流体分析，其分析的马赫数通常在0.3以下，此时可以认为空气是不可压缩的气体［2］，基于此假设，描述定常不可压粘性流体的基本方程是Navier-Stokes方程，要完全求解N-S方程，由于计算机技术的限制，目前还不能实现。现在工程中应用最广泛的是雷诺时均N-S方程

式中，i=1，2，3表示坐标轴的三个方向;xj是坐标的三个分量。

k方程

ε方程

式中，为涡粘性系数。

对于“标准”的k-ε模型，其常数值为:σk=1.0，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09。

2.2 计算模型及边界设定

建立有限元计算模型，设定流体计算域车前2倍车长，车后4倍车长，宽度共6倍车宽，高度为5倍车高;边界层2层，总厚度为4.6 mm;前保险杠进气格栅部分做出详细的特征线，保持形状特征，网格大小在2 mm左右，对冷凝器、散热器、风扇等部件进行网格加密，对发动机和变速进行包面处理，保持相对完整的结构特征，整个模型流体单元数为1 000万个，机舱部分体网格如图2所示。

对于散热器和冷凝器的风阻特性采用多孔介质porous medium属性来模拟，根据实际工况和相关工程经验，测试在2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s下通过冷凝器和散热器在其厚度方向上的压力降，试验数据如图3;风扇模拟采用MRF隐式算法，湍流模型选择推荐的k-ε高雷诺数模型，出口采用outlet边界［3-4］。

图2 机舱热管理分析模型(机舱部分+剖面)

图3 散热器的风阻曲线

3 结果分析

对上述三种工况在理论状态下的情况进行了首轮仿真计算，统计了流过冷凝器、散热器的冷却空气的流速和流量，发现仿真分析结果与试验结果存在一定的误差如表4所示，其中最大扭矩工况误差在12%，70%最高车速工况误差在20%以上。针对此误差，首先对风扇转速进行了实际测试，测试数据如表5所示，从测试结果来看在三个工况下风扇转速与设计值均存在不同程度的偏差;针对此转速偏差，需要进一步的修正分析。对风扇转修正后的分析结果与试验结果如表6所示。

表4 风扇设计转速下通过冷凝器风速与流量

表5 风扇设计转速与工作转速

表6 修正风扇转速后的流过冷凝器风速与流量

从仿真计算和试验的误差分析来看，在怠速时，由于车辆处于静止状态，流过冷凝器和散热器的冷却空气只有风扇来驱动，没有额外因素对风扇的转速产生影响，风扇转速稳定在2 400 r/min左右，设计转速与工作转速接近，计算与试验的误差在3%左右，结果较为理想;在最大扭矩和70%最高车速工况下，流过冷凝器的空气流速与风扇和车速有关，同时车辆行驶时产生的空气流动对风扇转动有扰动影响，如果不对风扇转速做修正分析结果会产生一定的误差。

4 结论

(1)试验表明，对于排量在1.5 L的发动机，怠速、最大扭矩、70%最高车速工况下通过冷凝器、散热器的冷却空气的流量分别在1 500 m3/h、2 000 m3/h、2 300 m3/h以上时，可以满足发动机的冷却散热及空调降温的需要;

(2)测试和仿真结果表明，在不同的工况下风扇的实际转速与设计转速有一定的差距，这些误差对冷却空气流量有较大影响，在分析中需要重点考虑和识别。

［1］姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［2］傅立敏.汽车空气动力学［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［3］谷正气.汽车车身外流场的数值计算与应用研究［D］.长沙:湖南大学机械系，1994.

［4］罗建曦，张扬军.汽车底部复杂流场数值模拟［J］.汽车工程，2003，25(4):330-333.