某型SUV车发动机舱热管理仿真分析及优化*

杜子学　沈宏丽　叶双平　王成杰（重庆交通大学机电与汽车工程学院　重庆　400074）

某型SUV车发动机舱热管理仿真分析及优化*

杜子学沈宏丽叶双平王成杰
（重庆交通大学机电与汽车工程学院重庆400074）

对某型SUV车发动机舱流场及热态进行了仿真研究，分析了车辆在两种不利工况下（爬坡与高速工况）发动机舱内的流场、温度场分布规律。针对发动机舱部分元件的温度场与速度场特性，提出了相应改进方案，并对改进模型进行二次优化，最终使发动机舱内部流场性能以及各零部件温度场性能得到较大改善，对比试验结果与仿真分析结果可知，仿真分析方法能够满足工程需要。

SUV发动机舱热管理优化

引言

发动机舱内气体流动状态和热环境十分复杂，如果流场组织不合理，会导致发动机舱内形成流动死区和局部高温区，从而损害机舱元件，降低其使用寿命[1-2]。对于发动机舱内热管理问题，若单纯依靠试验研究，其难度较大，费用高，且周期长。采用CFD分析方法进行汽车发动机舱热管理分析，能够直观得到机舱内部流场和温度分布规律，便于快速找到问题，合理优化内部流场，避免发动机舱内部形成流动死区及局部温度过高区域，从而有效缩短研发周期，节约试验成本[3]。本文运用STAR-CCM+软件对某型SUV车初期设计车型发动机舱散热问题进行了模拟分析，将分析结果与实验结果进行了对比研究，验证了发动机舱热管理分析方法的有效性和可行性。在此基础上，对改进车型的发动机舱散热问题进行了仿真分析，并对改进前后的仿真分析结果进行了对比研究。

1　计算模型与边界条件

发动机舱内零部件众多，且结构形状十分复杂，考虑到计算机硬件限制及计算收敛性，需对几何模型进行简化处理。处理后的几何模型如图1所示。

图1　几何模型

车辆行驶空间在理论上是无限的，但在实际计算时，需确定一个有限的空间范围[4]。本文建立车前2倍车长，车后3倍车长；整个宽度为3倍车宽；整个高度为4倍车高的计算域。考虑实际车轮承载后的变形，在计算时将地面抬高10mm。为提高计算精度、计算稳定性和收敛性，对体网格按区域进行不同程度的细化，并有选择地生成边界层，最终生成1 548万单元规模的六面体核心Trimmed网格，如图2所示。

图2　体网格模型

根据模拟工况，确定物理模型为三维、稳态、定常密度[5]。排气管、发动机等表面温度均设定为试验测得温度；风扇采用MRF（Moving Reference Frame）模型，转速为2 100r/min。地面为非滑移的移动地面。其他边界条件设定见表1所示：

表1　边界条件设定

采用多孔介质模型时，需要对表征多孔介质特性的两个重要特性参数（粘性阻力系数和惯性阻力系数）进行设置[6]。对冷凝器和散热器迎面风速与压强损失关系进行试验研究，得到的结果如表2所示，

最终建立的压强损失与速度的函数关系式为：

表2　冷凝器及散热器迎面风速与压强损失关系

根据式（1）和式（2）可得出冷凝器和散热器的粘性阻力值和惯性阻力值，具体数值如表3所示。

表3　冷凝器和散热器性能参数

采用换热模型后需给定冷凝器和散热器的散热量、参考温度和修正温度[7]。现实中发动机通过冷却系统散走的热量很难精确计算。本文根据经验，以当前车速对应的发动机转速下的功率的30%为散热器的散热量；冷凝器散热量通过试验得出；参考温度和修正温度根据经验给出[8]。最终得到的冷凝器和散热器的相关参数如表4所示。

表4　换热器参数设置

2　仿真计算结果分析

图3　 40km/h截面BL=0速度矢量图

取BL、TL、WL向部分截面展示仿真结果中温度与速度的分布情况。图3为BL=0的速度矢量截面：冷却风从进气格栅进入发动机舱，经过换热器组加热后，再从发动机舱底部流入车身底盘，换热器组的高温气流经风扇排出后流向变速器和发动机。两个风扇分别位于换热器之后机舱中间左右的位置，在风扇的抽吸及加速作用下，风扇之后速度流场多且密集、表明速度较大。

图4a)、图4b)分别为40km/h、110km/h速度工况下截面BL=0局部速度矢量图。可以看出，高速工况下，由于整体车速较高，整个速度流场密集，进入进气格栅的气流速度相对较大，速度流场分布比较均匀。

图4　两种车速下截面BL=0局部速度矢量图

图5a）、图5b）分别为40km/h、110km/h速度工况下主线束温度分布图，由温度分布图可以得到温度最高点位于散热风扇之后。其中爬坡工况下最高温度点温度108.8℃，超过了其容许最高温度8.78℃。高速工况下，主线束最高温度75.2℃满足容许最高温度要求。

图5　两种车速下主线束温度图

图6为蓄电池与发动机缸盖缸体位置温度分布图，从图中可以看出，蓄电池最高温度处是因离发动机缸盖近，由发动机缸盖高温辐射造成的。

图6　蓄电池温度云图

图7为蓄电池的温度场分布图，爬坡工况下，蓄电池最高温度为80.5℃，比容许温度80℃稍高，高速工况下，蓄电池最高温度62.9°C，满足容许最高温度要求。

图7　两种车速下蓄电池温度图

图8a）给出了爬坡工况下风扇表面温度分布情况，风扇位于散热器的正后方，散热器出风面的温度是114.2℃，所以风扇大部分区域高温，因为叶片边缘速度大，所以温度略有降低。图8b）是风扇速度分布图，从中心到叶片边缘速度逐渐增大，这与温度从中心到叶片边缘温度逐渐降低是一致的。

图8　风扇叶片温度、速度分布图

高速工况下，压缩机吸入管最高温度80.6°C、压缩机排出管最高温度80.7°C，均不超过容许最高温度。爬坡工况下压缩机吸入管最高温度107.4℃；压缩机排出管最高温度107.2℃，分别高出容许温度7.4℃、7.2℃，其最高温度部位均在风扇之后。对风扇的表面温度分布分析知，风扇后区域由于换热器加热所以热量较大。

爬坡工况下局部元件温度偏高，蓄电池、压缩机吸入管、压缩机排出管这些元件最高温度都在热源附近，可以通过加隔热罩来防止热量辐射导致的温度过高现象，但由于这些部件最高温度基本满足了工作要求范围。而高速工况下，车速高，冷却风从进气格栅进入发动机舱流量多且均匀，说明格栅进气量对发动机舱内元件散热有重要影响。为此，在原设计车型的进气格栅处加L型导流板来改善整车的部分流场分布，如图9所示。在此基础上再次进行仿真分析，观察对发动机舱内元件温度的影响。截取加入导流板后40km/h BL=0局部速度矢量图，如图10所示。可以看到，进入进气格栅和风扇后的气流更加均匀，流场的分布更趋于合理。对爬坡工况下最高温度偏高部件进行加入导流板前后的最高温度对比，从表5中可以看出，进气格栅加L型导流板后关注件最高温度均降至容许温度范围内。

图9　加导流板的进气格栅

图10　 40km/h BL=0局部速度矢量图

表5　进气格栅加导流板前后关键部件最高温度对比表℃

3　机舱温度场试验研究

在热管理仿真计算完成后对某型SUV车进行了机舱温度场试验，用胶带将传感器贴在重点关注部件如蓄电池、ECU、托架胶套等元件的表面（如图图11所示）测量其工作温度，试验得到的结果如表6所示。对各零部件的试验温度值和计算温度值进行误差分析可知，测量值与计算值出现的最大偏差为10.4%，该误差在允许的精度范围之内，从而验证了发动机舱热管理分析方法的有效性和可行性。

图11　发动机舱热管理试验

表6　发动机舱温度场试验与仿真数据对比表

4　结论

通过对某型SUV车发动机舱热管理模拟分析和试验研究，得出如下结论：

1）利用CFD软件模拟汽车发动机舱散热过程，得到发动机舱的温度场、速度场以及关注件的表面温度分布，从而确定发动机舱内各部件最高温度发生的位置，为车身造型和总布置提供参考。

2）对发动机舱内局部温度偏高元件进行了重点研究。结合发动机舱内冷却气流的流速大小和流向，得出造成其最高温度偏高的原因并提出了改进方案。通过对改进方案进行模拟分析，验证了该方案的合理性。

3）将仿真分析结果与实验结果进行对比，可得出其相对误差在允许范围之内，从而验证了仿真计算方法的有效性。

4）对两种工况下发动机舱热管理进行了分析。结果表明，格栅进气量对发动机舱内元件散热有重要影响。

1赵新明.发动机舱内温度场的可视化分析及改善措施［J］.中国机械工程，2004，15(14):1306-1308

2唐因放.发动机舱散热的CFD研究［J］.北京汽车，2009(4): 1-4

3王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004

4蒋光福.汽车发动机舱散热特性研究［J］.汽车科技，2006（5）：18-23

5陶文铨.传热学[M].西安：西北工业大学出版社，2006

6 John F.Wendt.Computational Fluid Dynam ics［M］.Berlin: Springer，2008:3-14

7袁侠义，谷正气，杨易，等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析［J］.汽车工程，2009，31(9):843-847，853

8肖能，王小碧，史建鹏.某车型机舱热管理仿真分析及优化［J］.汽车科技，2014（5）：56-61

Simulation Analysisand Optim ization of ThermalManagement ofa Certain TypeofSUVVehicleEngineCompartment

Du Zixue,Shen Hongli,Ye Shuangping,W ang Chengjie
SchoolofMechanical-Electronicand AutomobileEngineering,Chongqing JiaotongUniversity (Chongqing,400074,China）

A simulation study of the flow field and thermal state of the engine compartment of a certain type SUV car engine is carried out.The flow field and temperature field distribution of the vehicle in the engine compartment under the condition of two kinds of adverse conditions are analyzed.For the temperature field and velocity field characteristics of the engine compartment,the improved scheme is put forward,and the improvedmodel is optimized for the two times.In the end,the performance of the engine room is improved,and the temperature field of the parts is improved.The simulation analysismethod can meet the engineering needs.

SUV,Engine compartment,Thermalmanagement,Optimization

TH128，TP319

A

2095-8234（2016）02-0048-04

2016-01-18）

国家自然科学基金项目（项目编号：51475062）。

杜子学（1962-），男，博士，教授，主要研究方向为现代车辆设计方法与理论。