基于CFD方法的整车冷却系统匹配分析*

侯献军马将森杜松泽李增科

（1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心）

基于CFD方法的整车冷却系统匹配分析*

侯献军1,2马将森1,2杜松泽1,2李增科1,2

（1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心）

为探索水泵流量对整车冷却系统的影响，建立发动机GT-POWER模型和整车冷却系统GT-COOL模型，同时利用试验验证模型的准确性，并求取发动机热边界条件和散热器换热特性参数。建立散热器三维几何模型，利用CFD方法求取散热器的流动特性参数，将发动机模型和散热器模型在STAR-CCM+中耦合成一个系统，模拟整车冷却系统的工作过程。以某农用车的冷却系统为例，通过仿真求得其水泵流量在0.8 kg/s时散热器散热功率达到最大值10.489 kW，且发动机燃烧室壁面温度为523 K，较为合理。

1 前言

随着升功率的不断提高，发动机产生的热流密度越来越大，若设计匹配不合理，可能导致冷却系统温度过高[1、2]。国内学者在该方面的研究大都采用一维仿真方法，徐立平[3]以AMESim为仿真平台，讨论了发动机冷却系统匹配的基本思路和方法；高思远等[4]以GT-SUITE为仿真平台，研究了冷却液温度变化对柴油机热功转换过程的影响；韩恺等[5]利用GT-COOL软件建立某装甲车辆动力舱一维CFD仿真模型，研究装甲车辆冷却系统结构参数与性能参数之间的影响；郭学勤等[6]利用GT-COOL软件建立某柴油机的冷却系统模型，模拟分析最大扭矩工况下风扇、水泵流量和压力对冷却系统散热能力的影响。而关于冷却系统的三维仿真方法，大部分学者也只进行了局部部件的分析，Jae Su Kim等[7]基于STAR-CD完成了对散热器整体的三维CFD仿真计算；黎苏等[8]基于FLUENT对某天然气发动机气缸盖及其冷却水套进行了流固耦合仿真计算；童正明等[9]通过对某商用汽车管带式散热器进行传热风洞试验并进行CFD数值模拟研究，分析了水管排数对散热器散热量的影响；郭良平等[10]基于STAR-CCM+对单缸柴油机气缸盖的冷却传热进行了流固耦合仿真计算；白敏丽等[11]基于STAR-CD进行了柴油机的流固耦合传热计算。本文基于STAR-CCM+对某农用车冷却系统的匹配进行三维模拟仿真分析。

2 整车冷却系统模型建立

对冷却系统做如下简化：

a.将散热器芯部简化成多孔介质区域；

b.STAR-CCM+软件不能够实现循环仿真，可以通过多次迭代运算使散热器出口条件和水套入口条件一致来实现实际过程中的循环流动；

c.简化冷却系统中的管路。

基于以上简化建立整车冷却系统模型，如图1所示。

3 发动机模型热边界条件的求取

3.1 缸内燃气平均温度和平均换热系数的求解

发动机作为冷却系统的热源，其热量最终来自燃气燃烧所释放的热量，确定发动机气缸内的热边界条件是确定发动机传递给冷却系统热量大小的关键。

基于该农用车发动机原机GT-POWER模型求得其最高功率为9.51 kW，发动机台架试验测得其最高功率为9.28 kW，误差为2.48%，小于通常所要求的5%，结果较为准确，模型可以用于后续计算。

仿真求得该发动机在最高功率点工况（转速3 800 r/min）下的缸内燃气瞬时换热系数和瞬时温度曲线如图2和图3所示。

将图2中的瞬时换热系数进行积分得到缸内平均换热系数am=437.53 W/（m2·K）。

在一个工作循环中缸内壁面温度TW的变化不大，大约为500 K，比缸内燃气瞬时温度T低得多，因此可以将TW作为定值，根据牛顿传热公式可以求得一个工作循环内燃气传递给壁面的热流量Q：

式中，a是缸内瞬时换热系数；τ1是一个循环中曲轴起始转角；τ2是一个循环中曲轴终了转角；(aT)m是对(aT-φ)数据曲线积分值，其数值为529 567.5。

引入燃气平均温度Tres，将公式（1）简化得到：

求得燃气平均温度Tres=1 210.44 K。

运用上述方法求解进气道和排气道内的平均温度和平均换热系数，如表1所列。

表1 进、排气道内热边界条件

3.2 缸内壁面温度和换热系数的分布

柴油机的一个工作循环中燃料的燃烧热主要在做功阶段释放。由于活塞的上下运动，缸内燃气与壁面接触的时间和温度是不同的，离燃烧室顶部越近的壁面与燃气的接触时间越长且温度越高。根据参考文献[12]可知，缸内换热系数与燃气平均温度分布可由式（3）和式（4）求得：

式中，K1=0.573(S/D)0.24；K2=1.45K1；β=h/S；h为气缸轴向方向距离气缸顶端的距离；S为活塞行程；D为气缸直径。

求得缸内燃气平均温度和平均换热系数分布如表2所列。

表2 缸内平均温度和平均换热系数分布

基于表1、表2中的热边界条件和该发动机网格模型进行流固耦合分析，在发动机最高功率点对应的水套入口条件下，仿真求得水套出水口温度为366.5 K，试验测得水套出水口温度为368 K，误差在2%以内，仿真结果合理准确，可以作为后续耦合仿真计算。

4 散热器流动和换热特性参数求解

4.1 散热器“热流域”流动特性参数求解

将散热器芯部简化成多孔介质区域，求其惯性阻力系数和粘性阻力系数，使多孔介质区域的流动特性与原散热器模型的流动特性相近。多孔介质中的流动特性主要由惯性阻力系数和粘性阻力系数确定，在STARCCM+中由公式（5）确定[13]：

式中，Δp为进出口压力降；L为多孔介质区域的长度；v为入口液体流速；pi为惯性阻力系数；pv为粘性阻力系数。

a.建立“热流域”区域几何模型

冷却液从散热器上水箱通过52条散热管带到达下水箱。将散热器“热流域”做多孔介质区域简化就是将52条管带所在区域用多孔介质区域简化。“热流域”的几何尺寸如表3所列。

表3 “热流域”建模尺寸 mm

不考虑散热器的进水口和出水口，建模时保留上水箱和下水箱，且保证52条管道有相同的入口条件，建立的几何模型和在STAR-CCM+中生成的网格模型如图4所示。

b.CFD仿真计算

基于上述网格模型在STAR-CCM+中求取不同入口流速下对应的进出口压力降，计算结果如表4所列。

表4 不同入口流速下的压降

表4中流速数据和单位长度压降数据拟合关系符合二次曲线：y=166 430x2+79 554x。将此二次曲线与公式（5）做类比得出：pi=166 430 kg/m4，pv=79 554 kg/（m3·s）。

4.2 散热器“冷流域”流动特性参数求解

散热器“冷流域”流动特性参数的求解方法与“热流域”的区别在于由于其包含大量的翅片结构，若建立完整的冷流域模型将大大超出目前计算机的能力。为此，在散热器正面迎风的情况下，假设整个迎风面上的风速一致，可以取散热器上的一个散热单元（长度10 mm，宽度为一个翅片宽度）进行仿真计算。所建散热器单元的模型和其网格模型如图5所示。

基于上述网格模型求得散热器“冷流域”：pi= 301.75 kg/m4，pv=737.49 kg/（m3·s）。

4.3 基于GT-COOL的散热器芯部换热特性参数求解

将散热器模型作为多孔介质区域处理需要3组关键数据[8]：芯部区域的pi、pv及换热性能参数。换热性能参数是一组换热功率与流量相关的试验数据。由于主要研究水泵流量对冷却系统的影响，因此取换热功率与水泵流量作为散热器性能参数，将冷却空气流量和温度作为定值。

在冷却空气流量为0.19 kg/s、温度为300 K的条件下，基于整车GT-COOL模型求得散热器换热功率与水泵流量的关系如表5所列。

表5 散热器换热性能参数

基于所求散热器流动特性参数和换热特性参数进行散热器换热仿真模拟，在发动机最高功率点对应的散热器入口条件下，仿真求得散热器出水口温度为362.7 K，试验测得散热器出水口温度为362 K，误差在0.2%以内，散热器多孔介质模型和模型所需求解参数合理，可以用于后续的耦合仿真计算。

5 整车冷却系统匹配分析

5.1 耦合仿真计算

将散热器模型和发动机模型耦合为一个系统进行分析，可以得出冷却系统中相关性能参数的关联性。基于整车冷却系统简化模型、发动机热边界条件和散热器芯部相关参数，在冷却空气流量为0.19 kg/s、温度为300 K条件下，分别求取水套入口流量为不同数值下的散热器出水口温度、散热器散热功率和发动机燃烧室内最高温度，结果如表6所列。

表6 耦合仿真计算结果

由表6可以看出，在冷却水泵流量从0.1 kg/s增加到0.8 kg/s过程中，散热器的散热功率随之增加，但增加的幅度越来越小，在此过程中散热器出水口温度也随之增加；在冷却水泵流量从1 kg/s增加到3 kg/s过程中，散热器的散热功率却随之降低，散热器出水口温度也随之降低；燃烧室的最高温度随着流量的增加而降低。因此可以得出，将水泵流量确定在0.8 kg/s时，既能满足散热器散热功率的要求又能满足缸内温度的要求。

5.2 冷却系统温度场分布

冷却系统温度场分布情况如图6所示。

从图6可以看出，越靠近冷却液入口处的冷却空气温度越高；冷却液流量越小，换热后冷却空气的温度梯度越大。图6中所反应的温度场与实际冷却系统温度场分布规律一致。

Matching Analysis of Vehicle Cooling System Based on CFD Method

Hou Xianjun1,2,Ma Jiangsen1,2,Du Songze1,2,Li Zengke1,2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan University of Technology; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology）

To explore the influence of water pump flow on the vehicle cooling system,GT-POWER model of the engine and GT-COOL model of the vehicle cooling system have been established,which are verified through test,and heat boundary conditions of engine and parameters of radiator heat transfer characteristics are calculated.Then,3D geometric model ofradiator is established,and the flow characteristic parameters of the radiator is calculated with CFD method.Finally,the engine model and radiator are coupled in STAR-CCM+to a system to simulate the operation process of the vehicle cooling system.With a cooling system of the farm tricycle as an example,it is concluded from simulation that a rational cooling effect can be achieved at water pump flow of 0.8kg/s,which enables the maximum radiator heat sink power of 10.489kW,and at 523K of engine combustion wall temperature.

Cooling system,Water pump flow,Heat sink power,Radiator model

冷却系统 水泵流量 散热功率 散热器模型

U464.138

A

1000-3703（2015）11-0011-04

湖北省自然科学基金重点项目“轻型柴油车喷油助燃再生颗粒捕集器理化特性及控制策略研究”（2013CFA104）资助。