自卸车发动机舱内热流场分析及优化

刘水长　谷正气　张　勇,　凡遵金

1.湖南工业大学，株洲，412007　　2.华南理工大学,广州,5106413.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

自卸车发动机舱内热流场分析及优化

刘水长1,2谷正气3张勇1,3凡遵金1

1.湖南工业大学，株洲，4120072.华南理工大学,广州,5106413.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

自卸车发动机舱为半开放式，且舱内散热负荷大，为避免发动机舱内散热不足、局部热害等问题，结合实车测试与CFD仿真方法分析了舱内热流场散热特性，分析结果表明，发动机舱内风扇罩上部边缘处的回流和紧贴甲板的流动会导致舱内上部热源散热不足。在甲板上增加一组导流板,基于Kriging近似模型方法对其布局进行优化后,舱内热流场得到改善,流向上部热源的冷却气流增加了13.8%,空气温度高于370 K的高温区域显著减小。

自卸车;发动机舱流场;散热特性;Kriging近似模型

0　引言

车辆发动机舱内热量富集且空间拥挤,容易产生散热不足和局部热害等问题。

文献[1-8]对某些车型的发动机舱内流场进行了分析,提出了增加散热器护风板、合理布置进气格栅、增大风扇与散热器之间距离等措施，以提高舱内流场散热性能。上述研究针对的均是具有相对封闭结构的发动机舱内热流场的散热问题。重型矿用自卸车在煤矿与铁矿运输中广受青睐,其发动机舱底部不封闭，具有半开式特点，因而舱内热流场结构与散热特性有别于相对封闭的发动机舱。另外，重型矿用自卸车发动机舱内需散出的热量远大于一般中小型车辆，且其作业时的较低行驶速度加大了舱内废热排出难度,热害更易发生。

本文基于CFD方法耦合计算了自卸车发动机舱内外流场,针对舱内热流场结构不合理问题，加装相应导流装置,并利用Kriging近似模型对导流装置进行优化,充分发挥其导流作用,提高舱内流场散热性能。

1　物理模型与基础理论

1.1物理模型

相比一般中小型车辆,自卸车车身庞大,为减小计算工作量,忽略对发动机舱内流场影响较小的后车身[9],只取含发动机舱的前车身建立仿真几何模型(图1)。发动机舱内部零部件繁多，因此，在保证反映发动机舱内空气真实流动特性的前提下，对原始模型进行适当的简化，保留高温散热器(发动机冷却液散热器)、低温散热器(中冷器)、冷凝器、液压油冷却器、燃油冷却器、风扇、发动机等较大尺寸零部件,忽略一些对空气流动影响较小的水管、电线等，图2所示为简化后的舱内发动机及散热器模型。

图1　自卸车前车身

图2　发动机及散热器模型

1.2热流场控制方程

仿真工况为自卸车怠速工况,此时发动机舱的冷却空气大部分是由风扇抽吸引入的。根据产品供应商提供的产品数据,换算得到发动机舱入口的速度约为8.844 m/s，环境温度为291.5 K。由于舱内空气流速相对声速较低，流场可视为三维不可压缩流场，因而，热流场建模的基本方程如下:

(1)质量守恒方程

·v=0

(1)

(2)动量守恒

(2)

(3)能量守恒

·(ρ

(3)

式中,x、y、z为流场内点的三个方向的坐标值;v为空气流速;u、v、w分别为三个坐标横方向的空气流速的分量；ρ为空气密度，本研究中为常量;p为空气压力;υ为空气的动力黏度;f为微元体所受的体积力;T为空气温度;cp为空气质量定压热容;Sτ为微元体能量源项。

2　仿真方案与验证

2.1计算域与网格划分

计算域为包含仿真几何模型(图1)的流场计算空间,其选取应兼顾仿真精度与仿真效率,不宜过小也不宜过大。参考文献[4],计算域各方向尺寸选取如下:模型前方留3倍模型长,后方留7倍模型长，上方留5倍模型高，两侧均留5倍模型宽。

采用OCTREE方法在整个计算域内生成非结构化空间网格，在发动机舱内零部件结构复杂或特征尺寸较小的曲面附近,将网格加密;在整个发动机舱区域使用密度盒加密。整个计算域内共划分了1049.99万个计算网格,车身表面网格如图3所示,发动机舱内零部件表面网格如图4所示。

图3　前车身表面网格

图4　发动机舱内零件表面网格

2.2边界条件

2.2.1散热器

散热器芯体由大量的散热翅片和水管构成，保留其几何全尺寸细节进行模拟需要耗费大量计算资源和计算时间。因此，将散热器视为多孔介质[10],选用仿真软件Fluent中的heat exchanger模型模拟其传热过程。在heat exchanger模型中,主要设置如下;模型的热源强度设置以设定热侧流体入口温度的方式实现，并在模型中设定热侧流体流动路径和空气侧阻力特性等。

2.2.2其他边界条件

入口采用速度入口边界，出口采用压力出口边界，风扇采用fan边界条件，发动机机体、排气歧管、油底壳等发热部件的壁面设置为第一类边界条件，即给定壁面温度，其他为壁面为静止wall边界。

选用RNGk-ε两方程湍流模型，采用有限容积法对控制方程进行离散，离散方程组的压力和速度耦合采用Simpile算法[4]。

2.3实验测试与验证

图5　实车测试中的传感器安装

为验证以上仿真方案可行性,对该矿用自卸车实车进行了实验测试,采用温度传感器测试高低温散热器出口水温,传感器安装如图5所示。自卸车100%负载运行约70 min后，停车转为怠速工况,待高低温散热器进出口水温稳定后,对实车进行测试。根据进出口水温计算散热器散热功率，实验测试和仿真所得的高低温散热器散热功率PExp、PSim如表1所示,高低温散热器的仿真值分别比实车测试值大4.3%和3.3%,仿真结果与实验测试结果具有很好的一致性,该仿真方案可靠。

表1　散热功率实验与仿真值　kW

3　发动机舱内热流场分析

如图1所示,x=0截面为自卸车发动机舱的几何对称面，该截面穿过舱内散热器模块、发动机以及排气管等热源。x=0截面上的温度分布如图6所示。从图6可以看出,发动机舱内上部热源(排气管和发动机体上部分)附近,较大区域的温度高于370 K,其他大部分区域温度都在361 K以下。

图6　x=0截面的温度云图

从图7可见,在风扇罩的导向作用下，由发动机舱前方进入的大部分空气流经散热器与风扇之

(a)整体图

(b)回流区域放大图图7　x=0 mm截面上的速度矢量图

后，向后流向发动机和排气管等热源部件。在风扇罩上部边缘附近，一小部分从风扇罩中流出的空气绕过风扇罩边缘向前回流，使得流向后方上部热源的冷却空气减少。同时，该小部分空气最终回流至散热器前方，与来流汇合，再次流入散热器，被循环加热。另一方面，从风扇流出的空气，有一部分紧贴甲板向前流动，而没有流向上部热源。因此,风扇罩上部边缘附近的回流和甲板附近紧贴甲板的流动,导致流向舱内上部热源空气的流量不足和温度上升,造成上部热源散热不足，热量滞留,出现图6所示的高温区域。

4　发动机舱内热流场优化

4.1导流板结构与布置

根据上述分析，为消除风扇罩上部边缘附近的回流和紧贴甲板的流动，改善舱内热流场散热性能，在自卸车甲板上加装4个导流板,如图8所示。导流板向下倾斜一定角度，以阻止气流从风扇罩上部边缘回流并引导甲板附近空气向下流动。根据自卸车内部空间结构，确定导流板长为2500 mm，宽为300 mm,1号和2号导流板的倾斜角度和距离可在一定范围内变化,3号和4号导流板只能以20°倾斜角度安装在图8所示位置。为最大限度发挥导流板流场改善作用,采用Kriging模型[11]对1号和2号导流板的安装角度以及它们之间的距离进行优化。优化要素包括风扇罩附近1号导流板倾斜角θ1、2号导流板的倾斜角θ2,两个导流板之间的距离L,如图8所示。

(a)各导流板位置

(b)优化要素图8　改进后模型

受舱内零部件布局限制,各优化要素的取值范围为:0°<θ1<20°,0°<θ2<90°,300 mm

4.2基于Kriging近似模型的导流板优化

根据优化拉丁方法[11]确定20个样本点,并对各样本点的舱内外流场进行耦合仿真,获得流向发动机舱内上部热源的空气流量,根据20个样本点及其流量建立Kriging近似模型。为了检验近似模型的拟合精度,选取任意5个样本点进行验证,结果如表2所示。从表2可以看出,采用近似模型的计算结果与直接应用CFD软件的计算结果非常接近,最大误差为2.47%,表明采用此近似模型代替CFD仿真计算是可行的。

表2　近似模型验证

在建立近似模型的基础上,采用多岛遗传算法对模型进行寻优,优化所得各要素最佳值为:θ1=4.2°,θ2=37.9°,L=649.5 mm。为进一步验证寻优结果并分析导流板组优化后的舱内流场,依据各要素最佳值,重新建立发动机舱几何模型并进行CFD数值仿真。CFD仿真与近似模型预测得到的空气流量分别为124.63 kg/s和126.40 kg/s，误差只有1.43%，进一步说明近似代理模型的可行性。

4.3优化后流场分析

原始舱内结构仿真得到的流向舱内上部热源的空气流量qm为109.52 kg/s,与以最佳参数安装导流板之后的流场对比,安装导流装置并优化后空气流量提高了13.8%。

(a)整体图

(b)回流区域放大图图9　优化后的发动机舱x=0 mm截面速度矢量图

由图9可见,优化后在风扇罩上部边缘附近仍存在回流，但由于导流板的阻挡作用，消耗了大量动能，回流未返回至散热器前方，而是直接与附近来流汇合后，流向后方的上部热源。另一方面，受导流板引导，不再出现大量空气紧贴甲板的流动，更多的空气流向上部热源。结合图10可见，由于减弱了风扇罩上部边缘回流和避免了紧贴甲板的流动，流向上部热源的冷却空气的流量增大,使得上部热源附近区域的温度明显降低，高于370 K的高温区域大幅减小,整个发动机舱内温度分布较原始模型均匀，大部分区域温度在352 K以下。

图10　优化后的发动机舱x=0 mm截面温度云图

5　结论

(1)本文针对半开放式的自卸车发动机舱,取适当简化后的自卸车前半车身建立仿真物理模型,应用CFD方法耦合计算舱内外流场，获得了舱内热流场,与实车实验值对比,误差最大值为4.3%,从而证明仿真方案可靠。

(2)针对原车发动机舱内因回流和紧贴甲板流动导致的散热不足问题，在自卸车甲板上增加一组导流板，并基于Kriging近似模型对导流板布局进行优化。优化后，流向上部热源的空气流量增加了13.8%,温度大于370 K的空气高温区域大幅减小,舱内的空气温度基本控制在352 K以下，发动机舱内散热性能提高。

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(编辑张洋)

Thermal Characteristic Analysis of a Mining Dump-truck Engine Compartment and Optimization

Liu Shuichang1,2Gu Zhengqi3Zhang Yong1,3Fan Zunjin1

1.Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan,412007 2.South China University of Technology,Guangzhou,510641 3.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

The engine compartment of mining dump-truck is semi-open and its radiating load is large.To avoid insufficient cooling and local heat damage,heat flow field thermal property in engine compartment was analyzed by combination of real vehicle test and CFD method.The analyses show that,the reflux at the top edge of fan’s cover and a large amount of air flowing close to the deck generate the insufficient cooling of the upper heat sources,thus,a group of deflectors are added on the deck, and more the deflectors layout optimization is carried out based on Kriging approximate model method.Then,the air flow in the compartment is improved, the air flow volume towards the upper heat sources increases by 13.8%,the area where air temperature is higher than 370 K is reduced significantly.

mining dump-truck;engine compartment flow field;thermal characteristics;Kriging approximation model

2014-05-04

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA041800);中央财政创新团队专项资金资助项目(0420036017);湖南工业大学自然科学研究项目(2013HZX05)

U461.99;TH242DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.010

刘水长,女,1981年生。湖南工业大学机械工程学院讲师,华南理工大学机械与汽车工程学院博士研究生。主要研究方向为汽车空气动力学与汽车热管理。发表论文10余篇。谷正气,男,1963年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授、博士研究生导师。张勇,男,1979年生。湖南工业大学机械工程学院讲师,湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生。凡遵金,男,1987年生。湖南工业大学机械工程学院硕士研究生。