基于一维-三维联合仿真的冷却系统匹配研究

王磊，晏强，文雪峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200)

基于一维-三维联合仿真的冷却系统匹配研究

王磊，晏强，文雪峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200)

由于一维软件不能兼顾冷却介质流动的均匀性等问题，往往给匹配带来较大的误差。本文采用一维-三维联合仿真的方法对冷却系统匹配进行了详细分析，并进行两工况的整车转鼓热平衡试验验证。分析结果表明仿真分析结果与试验结果相吻合。采用此方法可以缩短了开发的时间，降低开发成本，提高设计的成功率，特别适用于新车型的开发。

冷却系统；一维-三维联合仿真；热平衡试验

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-31-04

1、简介

传统发动机冷却系统的设计匹配由于试验条件限制及设计周期影响往往是根据经验公式及相似计算等设计物理样机。通过多次改进、制作样机进行试验对比，是一种定性的匹配方法。这种方法开发周期比较漫长，试验费用也较为昂贵。

目前，随着技术的发展。冷却系统匹配可通过一维软件如预先计算分析。通过修改冷却系统元件的相关参数，软件基于流体传热学理论可实现对其性能的估算。但是，一维软件不能兼顾冷却介质流动的均匀性问题及与之带来的外流场的阻力问题，往往给匹配带来较大的误差，使之不能更好地应用。三维计算流体软件可以细致的考虑到冷却介质的均匀性问题。因此，结合了一维和三维的计算工具，通过三维软件对发动机机舱流场进行分析。将均匀性的数据并入一维软件中进行联合计算。便可以提高匹配的准确性。本文通过对某款车型冷却系统的设计匹配并结合试验验证，说明了结合一维和三维软件进行冷却系统匹配的优越性。

2、仿真数据采集

2. 1 整车相关数据

2.1.1 运行工况参数（见表1）

表1 整车各工况运行参数

2.1.2 发动机机舱空气动力学特性

发动机机舱空气动力学特性不仅与整车空气阻力相关，而且直接影响冷却系统的性能。例如增大进气格栅面积会提高进气量，提升冷却系统性能；其次较为顺畅的机舱流道，其阻力一般较小，也可以提高气流量，提升冷却性能。一般情况下，机舱空气动力学特性可通过汽车风洞试验测得；但在新车型开发前期不具备实体模型的情况下也可通过三维CFD流场分析获得。

通过三维软件对发动机机舱的流场分析，得出了在整车两工况下的机舱进口压力损失系数、机舱流道阻力特性、换热器的速度分布等（见表2发动机机舱CFD分析结果及图3发动机机舱压阻曲线），并将其作为一维软件的输入。这样可使计算结果更符合实际效果。

表2 发动机机舱CFD分析结果

2.1.3 冷却系统部件布置及参数

冷却系统散热器为纵流式结构；中冷器为横流式结构；风扇采用环形9叶塑料风扇，曲轴直连；各部件参数见表3。

表3 冷却系统部件参数

发动机为4缸增压中冷式柴油发动机，技术参数见表4。

表4 发动机基本参数

2.2 发动机相关数据

根据GB/T1147.2 中小内燃机试验方法在柴油机试验台架对发动机进行热平衡试验。试验测得扭矩点和功率点中冷系统及水冷系统的散热量、进口压力、流量数据（如表5及表6所列）并将其输入KULI软件中的CF元件及CA元件。发动机对冷却系统匹配也提出了相关的评价见表5及表6相关项。

表5 中冷系统参数及指标

表6 水冷系统参数及指标

2.3 零部件相关数据

根据QC/T 907-2013汽车散热器散热性能试验方法对本冷却系统散热器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的Radiator元件，得到其性能如图4所示。

根据QC/T 828-2010 汽车空-空中冷器技术条件对本冷却系统中冷器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的CAC元件，得到其性能如图5所示。

根据JB/T 6723.2-2008塑料冷却风扇技术条件对本冷却系统中冷器进行单体性能试验并将试验结果输入一维软件中的M Fan元件，得出其性能如图6所示。

3、仿真分析及试验验证

根据车型冷却系统的空间布置尺寸在一维软件里建立分析模型（见图7）。将发动机机舱CFD分析结论中的机舱进口压力损失系数及机舱流道阻力特性结果并输入CP value元件和Built-in resistance元件。将CFD分析的换热器的速度分布矩阵加入Blocks元件模拟气流均匀性问题。通过Air Resistance元件模拟空调散热及压降特性。

针对整车运行的两工况点进行仿真计算，得出了散热器进、出水温度及内部压降；中冷器的进、出气温度及内部压降，以及风扇的静压、消耗功率、静压效率等，结果见表7。

为了验证一维-三维联合分析的准确性及适用性。结合前期的仿真模拟分析，按照国标GB/T12542-2009对试制样车在转鼓试验室进行整车热平衡试验。试验时在散热器及中冷器上布置了温度传感器、压力传感器共计24个测点，使用多通道采集仪实时采集。试验结果见表7。

表7 仿真模拟值与试验值对比

4、对比评价

通过对比仿真分析的结果和整车热平衡试验的结果（见图8及图9）可发现在布点数据及相关指标值基本吻合，其中除环境温度为不可控因素外，散热器的进水温度与出水温度的仿真值在功率点扭矩点均高于试验值1.6%和1.7%；中冷器进气温度与中冷器出气温度的仿真值在功率点扭矩点均低于试验值3.2%和6.7%；散热器内部阻力的仿真值在功率点和扭矩点均低于试验值2.1%和1.9%；进气温升的仿真值在功率点和扭矩点均低于试验值3.2℃和2.3℃。并且各项性能指标如冷却常数、中冷散热效率均满足发动机冷却系统匹配要求。

仿真和试验的对比说明了运用一维三维联合分析的方法对冷却系统的两工况的预测精确度接近试验验证结果，可以满足工程设计的要求。

5、结论

通过一维-三维联合分析方法快速对冷却系统匹配进行计算，兼顾了具体车型冷却介质流动的均匀性问题，可使结果更加精确。缩短了开发的时间，降低开发成本，提高设计的成功率，特别适用于新车型的开发。

由于试验条件限制，本文只进行了两工况点的验证，并且冷却能力有所富裕。后期可通过精确的系统模型，对发动机的外特性全工况点进行匹配分析验证并对系统零部件进行改进优化。

[1]梁小波，袁侠义、谷正气 等.运用一维／三维联合仿真的汽车热管理分析.汽车工程，2010,32[9].

[2]袁侠义，谷正气，等．汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J]．汽车工程，2009，3l(9)．

[3]齐斌，倪计民，顾宁，仲韵．发动机热管理系统试验和仿真研究．车用发动机，2008，（4）．

The Study on Cooling System Matching by Appling joint 1D/3D Simulation

Wang Lei, Yan Qiang, Wen Xuefeng
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

As one-dimensional software cannot take account of the uniform issue of cooling medium flow, which bring biggish error for matching. This paper uses the method of 1D-3D joint simulation to match the cooling system and take vehicle drum heat balance test verification about two conditions of the engine. The analysis results show that the simulation results and the experimental results are consistent. Using this method can shorten the development time, reduce development costs, improve the design success rate, especially suitable for the development of new models.

cooling system; joint 1D/3D simulation; thermal balance test

U464

A

1671-7988(2015)04-31-04

王磊，就职于陕西重型汽车有限公司。