商用车发动机舱热管理一维/三维联合仿真与试验

郭健忠　罗仁宏　王之丰　胡　溧　吴　勇

1.武汉科技大学,武汉,430081　　2.浙江吉利汽车研究院有限公司,宁波,315336

商用车发动机舱热管理一维/三维联合仿真与试验

郭健忠1罗仁宏1王之丰2胡溧1吴勇1

1.武汉科技大学,武汉,4300812.浙江吉利汽车研究院有限公司,宁波,315336

摘要：为解决某商用车在额定工况下发动机出水温度偏高的问题，分别利用三维、一维和一维/三维联合仿真工具，对样车的发动机舱流场特性以及冷却系统性能进行了研究。通过一维/三维联合仿真结果与台架试验测试数据的对比分析，验证了一维/三维联合仿真模型的可靠性；同时针对发动机舱出现的热回流现象,提出了相应的改进措施并进行道路测试，测试结果显示：改进后，发动机出水温度下降3.7 ℃,验证了改进方案的有效性。通过一维/三维联合仿真可以提高发动机舱热管理的分析效率，缩短开发周期。

关键词:发动机舱;热管理;一维和三维联合仿真;热回流;试验

0引言

近年来，随着商用车发动机功率的不断提升，机舱内产生的热流密度也随之增大[1];为了满足汽车的美观性以及驾驶室舒适性等方面的要求，前置商用车进气格栅面积和发动机舱空间被设计得越来越小；同时，汽车的动力性、经济性等方面要求使发动机舱内添加了更多的发热装置。商用车的使用环境相对恶劣且热负荷大，普遍存在发动机冷却液温度偏高的问题[2],冷却液温度过高不仅会加剧发动机的摩擦损失，而且会严重影响发动机的可靠性、动力性和经济性等。因此，针对发动机舱热管理的研究十分必要。在有限的发动机舱内，设计一个高效、节能且可靠的冷却系统，并且合理地引导冷却气体在发动机舱内流动，成为整车开发设计的一个重要环节。

计算流体力学和计算传热学的快速应用，使得模拟仿真计算成为一种高效且实用的研究手法[3]。通过数值计算，能在产品开发前期，初步得到汽车机舱的流场分布以及冷却系统的散热情况，这为发动机舱的总布置和冷却系统的匹配提供了有力的理论依据[4],避免了产品后期大的改动，降低了工程成本。

三维仿真计算能直观给出冷却空气在发动机舱的流动情况以及整车的压力分布，但对于汽车冷却模块的热交换计算则需要投入大量的时间和资源；一维仿真虽然不能像三维仿真计算那样考虑到所有细节，但它需要的计算资源少，计算时间短，能获得较好的计算结果[5]。而传统的一维和三维仿真计算是各自独立进行的,不能很好地发挥各自的优点。为了充分发挥一维仿真计算和三维仿真计算的优点，本文联合使用一维与三维计算方法，将三维仿真得到的速度场转化为阻尼系数矩阵，以自定义曲面方式导入一维软件中，通过一维仿真计算出散热器进出水温度，并通过仿真结果与试验数据的对比分析，验证了一维/三维联合仿真计算模型的可靠性，同时针对机舱内存在的热回流现象提出相应的改进措施，通过对改进前后的样车进行道路测试，验证改进方案的有效性。

1三维整车CFD分析

1.1数值模型的建立

汽车的车速远小于声速，可认为汽车周围空气密度不可变，即不可压缩空气[6]。由于发动机舱内零部件结构复杂多变，气流在机舱内容易出现分离现象，故仿真计算按湍流流动处理。

为了降低模拟风洞中的阻塞效应、洞壁效应和雷诺效应对仿真计算精度的影响，计算域设定为：车前取4倍车长，车后取6倍车长，车两侧各取5倍车宽，高度取7倍车高[7],如图1所示。计算域的入口边界设定为速度入口，计算域的出口边界设定为压力出口，车身地面边界设为非滑移壁面，计算域的其他壁面设定为滑移壁面。

图1　汽车风洞模型

1.2热交换器模块的建立

由于热交换器(中冷器、散热器)中存在大量的换热管道和结构复杂的翅片，若直接模拟散热器换热流动，则生成的网格数目将非常大，加大了工程成本。为节约计算资源和时间，热交换器采用多孔介质模型来模拟冷却风通过热交换模块时的压力损失。在多孔介质模型中，流动的阻力被分解到给定的方向，并通过源项的方式，添加到动量方程中。源项的系数可由下式推算出：

(1)

其中,Δp为压降；L为多孔介质厚度;α为空气穿透系数;μ为黏性系数;C2为多孔介质内部损失系数;v为来流速度;Pi为惯性阻尼系数;Pμ为黏性阻尼系数。对样车的热交换器进行台架试验，如图2所示。

图2　热交换器风阻特性试验

从热交换器的台架试验可以获得迎风风速和热交换器的进出口压降数据，运用最小二乘法拟合得到换热器惯性阻尼系数Pi和黏性阻尼系数Pμ,结果见表1。

表1　 热交换器多孔介质参数

风扇的计算采用MRF法[8],整个计算过程遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,控制方程采用有限体积法，能量方程采用的是二阶迎风插值格式，迭代方式采用SIMPLE算法。

1.3计算结果分析

由于样车在额定功率点(功率为110kW,发动机转速为3600r/min)、环境温度为31 ℃的试验工况下,开展整车热平衡试验时发现发动机出水温度偏高,超出车辆冷却要求,故选取额定功率点工况进行仿真分析。

图3　机舱迹线图

通过三维仿真计算可以直观地显示发动机舱气体的流动情况，如图3所示。从图3可以清楚地看到发动机舱出现了明显的热回流现象,这是因为冷却气体从进气格栅流入发动机舱,依次通过中冷器、散热器和冷却风扇，从风扇流出后的受热气体在撞击到发动机前端面后导致部分受热气体再次流经冷却模块,使冷却模块发生了热回流现象,严重影响了冷却模块的换热效率，需要对发动机舱结构进行改进。

2一维冷却系统模型

汽车的冷却系统由热交换模块(中冷器、散热器)、护风罩、冷却风扇、橡胶管、发动机水套等构成，承担着发动机的散热功能，以确保汽车能够稳定高效地运行。本文研究样车的发动机为增压中冷式柴油发动机，其冷却系统的布置如图4所示。

图4　汽车冷却系统布置图

根据样车的结构形式，分别设计空气侧和水侧两大部分。空气侧是由空气流道特性CP值(汽车行驶过程中空气流动而引起压力的变化)和中冷器、散热器、冷却风扇以及内部阻力模块等构成的。根据样车冷却系统的结构布置，搭建了样车冷却系统空气侧模型，如图5所示。

图5　空气侧模型图

由流体力学知识可知，气流从外部流经较小面积的格栅再流入较大面积的机舱空间过程中，气流截面面积突然发生变化而造成压力变化，在KULI软件中这部分压力的变化可用静压力变化进行描述：

(2)

其中,CP为空气流道特性;ρ为冷却空气密度;vinlet为冷却空气速度。通过三维CFD计算出样车前脸格栅处的压降变化来确定CP值为0.8。

水侧是指冷却液循环和空调循环等构成，水侧模型如图6所示。水侧模型包含散热器冷却液回路和中冷器流体回路。各冷却部件参数值由零部件供应商提供。

图6　水侧模型

在传统一维软件KULI中,设定散热器迎风面上的冷却风速是均匀分布的。但实际上,冷却风速在散热器迎风面上是不均匀的分布，是由冷却风扇和机舱特定空气道共同引起的。而这种均匀的设定会影响散热器中冷却液与冷却空气之间传热计算的准确度,造成仿真计算结果误差偏大，应加以改进。

3一维/三维联合仿真

在发动机舱热管理研究中，鉴于一维、三维单独分析的局限性，可以结合一维/三维联合分析方法进行研究。

为了使计算更加真实可靠,在KULI中把散热器分割成离散的小块，通过每个小块上定义的阻力矩阵来模拟计算出每个小块上冷却风带走的热通量[8]。而散热器表面速度分布可以通过CFD计算得出,把CFD计算得到的速度矩阵导入KULI中，在KULI中转化成相对应的阻尼系数ζ分布图,如图7所示。

图7　散热器表面阻尼系数分布图

KULI结合CFD的联合仿真计算相对于传统一维仿真来说更加充分地考虑到车辆实际运行中散热器的阻力分布情况，从而更加真实地模拟出车辆前端冷却模块气流流动状态，使得散热器的换热计算更加可靠。仿真工况为样车的额定功率工况，发动机转速为3600r/min，行驶车速为39km/h,环境温度为31 ℃,环境压力为一个标准大气压,仿真计算结果见表2。

表2　试验测试值与仿真结果对比

4试验验证

4.1试验条件

在轮毂试验台上对本次研究样车进行整车热平衡试验,如图8所示,试验过程采用大流量风机和轴流通风机来等效模拟汽车在行驶中的来流空气,试验室环境温度由空调机组控制，并在汽车进气格栅前40cm处布置温度传感器,用来校对试验环境温度，试验环境温度为31 ℃。

图8　样车热平衡试验实物图

试验工况为汽车额定载荷下，发动机额定功率(功率为110kW,发动机转速为3600r/min),Ⅱ挡挡位，车速为39km/h。如图9所示,在散热器进出口处以及机舱重要部件处布置WRNK-391型温度传感器，并用多通道数据采集仪器来采集并记录试验数据。

图9　发动机舱温度采集实物图

4.2模型可靠性的验证

通过试验结果与仿真结果的对比分析，来验证KULI结合CFD计算结果的准确性。从表2可以看出仿真结果与试验数据存在一定的误差,造成误差的主要原因如下：数值计算过程中某些部件做了简化处理,试验过程中各种参数的测量存在误差,但误差都不超过5%，因此，可认为KULI结合CFD的计算模型是可靠的。

5发动机舱的改进

5.1改进方案

用于评价汽车冷却系统冷却能力性能的方法有很多，本文采用最常见的评价方法，即冷却系数K来衡量改进方案的有效性。冷却系数K的计算公式为

K=θ1-θ0

(3)

式中,θ1为发动机出水温度;θ0为环境温度。

K越小，则发动机舱的散热性能越强[9]，根据车辆冷却系统的设计要求，K必须小于60。

通过三维CFD软件对发动机舱内流场的计算分析，发现机舱散热器明显存在热回流现象(图3)，降低了散热器的换热能力。为了避免发动机舱内出现热回流现象以及为解决发动机出水温度偏高的问题，对散热器安装了防回流导流罩和散热器导流板，如图10所示。

(a)风扇导流罩(b)散热器导流板图10　改进方案

图11为改进前后发动机舱空间迹线对比图。可以看出:添加改进装置后有效地减少了冷却模块的热回流现象；同时安装了散热器导流板，散热器的进风量增加有利于提高样车的冷却模块的散热能力。

(a)原始发动机舱空间迹线图

(b)改进后发动机舱空间迹线图11　机舱迹线对比图

一维/三维联合仿真计算出散热器改进前后出水温度的对比见表3。结果表明改进后的散热器进水口温度下降了3.6 ℃,冷却系数K小于60,满足汽车冷却系统要求。

表3　改进前后散热器进水口温度对比　℃

5.2改进方案的验证

为了验证改进方案最终的效果,试制了风扇导流罩和散热器导流板,如图12所示。安装风扇导流罩和散热器导流板后,对样车进行了热平衡道路试验。样车按照GB/T12534进行预热,试验过程中样车装沙袋至额定载荷以模拟乘客满员运行情况如图13所示,摘除节温器，堵死小循环以保证冷却系统始终处于大循环工作状态，油门全开,Ⅴ挡行驶,发动机转速保持在功率点(3600r/min)左右运行，在高速跑道上进行道路测试，行程为100km,通过整车测试系统采集并记录散热器进出口水的温度。

在相同试验条件、试验工况下，对改进前后的样车分别进行上述道路测试，测试结果表明：改进后散热器进水温度下降了3.7 ℃,冷却系数K小于60,达到车辆冷却要求,同时也验证了改进方案的有效性。

图12　改进方案实物图

图13　样车道路测试

6结论

(1)利用数值计算工具可以在汽车开发前期对发动机舱的流动特性和发动机冷却系统的性能进行研究，有利于机舱内冷却气体的组织和发动机冷却系统的匹配研究，从而避免了机舱热危害的出现。

(2)通过试验数据与一维/三维联合仿真结果的对比，验证了一维与三维联合计算模型的可靠性，这特别适用于车辆开发前期发动机舱热管理的研究，有利于缩短开发时间，降低工程成本。

(3)通过三维CFD发动机舱流场分析，发现机舱内出现热回流现象。通过安装风扇导流罩,有效地阻止了热回流,避免了循环加热而造成散热器散热能力的下降。同时添加散热器导流板,有利于增加散热器冷却风的进气流量，从而提升散热器的散热性能。

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(编辑陈勇)

Testand1D/3DCo-simulationofThermalManagementforaCommercialVehicleEngineCompartment

GuoJianzhong1LuoRenhong1WangZhifeng2HuLi1WuYong1

1.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,4300812.GeelyAutomobileResearchInstitute,Ningbo,Zhejiang,315336

Abstract:In order to solve the problems of engine outlet water high temperature at rated power conditions.3D,1D and 1D/3D co-simulation tools were used to analyze the characteristics of heat dissipation in the engine compartment and the performance of cooling system respectively.Comparing the results of 1D/3D co-simulation and bench test,the results show the simulation results are in good accordance with test data,so the simulated model is reliable.At the same time,appropriate measures for improvement to avoid the thermal reflow phenomenon in a commercial vehicle engine compartment were proposed, then the road test was carried out.It shows that the measured outlet coolant temperature of engine reduces by 3.7 ℃, the effectiveness of the improved program is verified. By the 1D/3D co-simulation, the analysis efficiency of the underhood thermal manage can be improved greatly, the development cycle will be reduced.

Key words:engine compartment;thermal management;1D/3D co-simulation;thermal reflow;test

收稿日期：2014-04-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105283)

中图分类号：U461

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.018

作者简介：郭健忠,男,1969年生。武汉科技大学汽车与交通工程学院副教授。主要研究方向为汽车节能与排放控制技术。罗仁宏,男,1989年生。武汉科技大学汽车与交通工程学院硕士研究生。王之丰,男,1989年生。浙江吉利汽车研究院有限公司工程师。胡溧,男,1977年生。武汉科技大学汽车与交通工程学院副教授。吴勇,男,1990年生。武汉科技大学汽车与交通工程学院硕士研究生。