某乘用车冷却系统的一维流动分析

王悦，辛海霞，崔欣洁，柴召朋，赵彦辉

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

某乘用车冷却系统的一维流动分析

王悦，辛海霞，崔欣洁，柴召朋，赵彦辉

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

文章以搭载某型增压发动机的某乘用车冷却系统为研究对象，利用AMESIM软件建立冷却系统的一维流动分析模型，在CFD软件计算的支持下，对该乘用车冷却系统中各支路的流量分配进行了分析。结果表明，冷却系统中各支路的流量在一些特定工况下存在问题，还应进一步优化。

增压发动机；AMESIM；冷却系统；一维流动分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.027

CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-78-03

引言

冷却系统是车辆的主要系统之一，车辆运行中燃料总热量的20%～30%通过车辆冷却系统进行散热[1]。各支路中冷却液的流量直接影响冷却系统的散热效果。然而，冷却系统中的各部件水套形状非常复杂，各管路走向尺寸多样，各部件管路相互连通错综复杂。导致在车辆总布置阶段正确估计各支路流量非常困难。

传统方法只能依靠经验进行估计，导致冷却系统的设计裕度偏大。也就意味着，车辆可能使用了过大的散热器、发动机选择了过大的水泵，最终导致车辆机舱布置困难、车辆制造成本上升、发动机油耗上升等问题。

通过使用一维流动分析，可以在乘用车设计前期就进行有效的冷却系统的功能部件选型，有效的缩短设计周期、降低开发成本和风险。

1、冷却系统的一维流动分析过程简述

1.1 车辆冷却系统的概述

车辆的冷却系统大致包括散热器、散热器溢出壶、空调暖风机换热水套、发动机水套、发动机水泵、发动机恒温器、发动机增压器冷却水套、发动机机油冷却器冷却水套及相应连接管路，各部件相互连接，如图1所示。

图1 冷却系统示意图

此冷却系统相对于传统设计有两处不同：第一，此发动机由于机舱布置需要，倾斜了一个角度，导致发动机出水口不是水套在竖直方向上的最高点。为防止水套内气体无法排净，在水套上额外开了一个排气口，由排气水管连接在车辆的散热器溢出壶上。第二，此发动机在恒温器开启，即大循环开启后，小循环不会关闭。

由上述可知，排气水管参与大循环，其常开可能影响车辆的暖机时间，小循环常开可能影响发动机高功率时的冷却效果。因此，排气水管和小循环这两个支路在各工况下的流量是需要格外关注的。

1.2 冷却系统一维流动分析模型的简化

1.2.1 分析模式的简化

由于本文的重点关注的是指定工况下冷却系统各支路中的流量分配，因此本文选择稳态计算。当恒温器开启和关闭时，使用不同的模型，并将相应模型中将没有冷却液流动的部件和管路省略以节约软件运行时间。

1.2.2 温度模型的简化

由于各工况点的冷却液温度是明确的，且各部件、管路中冷却液温差对冷却液的密度、黏度影响非常小，为简小模型规模、减少输入数据、节约软件运行时间，本文的模型中，不考虑冷却液与其他部件的换热，即冷却液温度为常数。

1.2.3 水泵的简化

由于发动机水泵为离心泵，其物理特性难以在一维模型中体现。作为替代，本文使用供应商提供的水泵扬程-流量曲线数据，如图2所示。

图2 水泵扬程-流量曲线示意图

1.2.4 发动机水套的简化

发动机水套内部结构复杂，有一个入口、三个出口，且三个出口之间距离较远，不适宜采用一条流量-压力曲线配合一个四通的方法来进行简化。但将水套离散为若干个相互连同的空腔的方法过于复杂，且精度不高。

本文采用了一维流动分析与CFD分析配合的方法，来解决上述问题。即将发动机水套简化为一个容积腔，此腔有一个入口、三个出口，三个出口处各设置一个节流口，其节流特性各由一条流量-压力曲线表示。

三条流量-压力曲线通过CFD分析与一维流动分析相互将结果作为输入，反复迭代计算获得。

1.2.5 溢出壶的简化

溢出壶在冷却系统主要承担两个功能，一是容纳冷却系统中多余的冷却液或为冷却系统补充冷却液；二是为整个冷却系统提供一个正压力，确保水泵入口处不会出现负压力。

由于本文是恒温的稳态计算，溢出壶的第一个作用无法得到体现，因此在模型中被简化为一个恒压的压力源。压力值设定为溢出壶泄压阀的开启压力。

1.2.6 其他功能部件的简化

其他功能部件均为一个出口、一个入口，采用单一的流量-压力曲线来替代其真实的流动阻力，用体积单元来替代其内部容积。流量-压力曲线通过测试或CFD分析获得。

1.2.7 管路的简化

在本文中，仅考虑管路由于变径、弯曲、分岔引起的压力损失。冷却液由于重力作用发生压力变化、冷却液压力引起的管壁变形进而影响压力、管路的延伸损失影响压力等因素没有被考虑。

1.2.8 冷却系统一维流动分析模型的简图

本文使用的大小循环全开的一维流动分析模型简图，如图3所示。其他工况模型略。

图3 冷却系统一维流动分析的AMESIM模型简图

1.3 数学模型简述

本文中的分析本质是一维数学计算，计算过程中使用的数学公式主要包括以下内容[2]：

以上公式中：area为节流口流通面积，Perimeter为节流口周长，v为流体的运动黏度，△P为压力差，ρ为流体密度，Cqmax为最大流量系数，λcrit为临界流量数值。

本文中Cqmax设定为0.7，λcrit设定为1000。

1.4 计算初始条件

冷却液初始温度为100°C，系统初始压力为1.45Bar（与简化后溢出壶的压力源压力一致）。

2、分析结果

本文主要计算了三种情形：仅开小循环、大小循环全开、仅开大循环。

2.1 仅开小循环

各转速下各支路的流量见表1，仅开小循环时的水路示意图，如图4所示。

表1 仅开小循环时的各支路流量

2.2 大小循环全开

各转速下各支路的流量见表2，大小循环全开时的水路示意图，如图5所示。

表2 大小循环全开时的各支路流量

图5 大小循环全开时的水路示意图

2.3 仅开大循环

各转速下各支路的流量见表3.3，仅开大循环时的水路示意图，如图6所示。

表3 仅开大循环时的各支路流量

图6 仅开大循环时的水路示意图

3、结论

本文利用AMESIM软件对某乘用车冷却系统中各支路的流量分配进行了分析，并根据其结果得出如下结论：

（1）如表4所示，发动机冷启动阶段，即仅开小循环时，排气水管占总流量比例很小（大循环流量为0），对暖机速度的不利影响也很小。

表4 仅开小循环时通过散热器的冷却液流量及比例

（2）如表5所示，如果在大循环开启后，小循环不关闭，则在低转速时，通过散热器的流量比例过低，在低转速高负荷率等极端工况下，冷却可能出现问题。

表5 大小循环全开时通过散热器的冷却液流量及比例

（3）如表6所示，如果在大循环开启后，将小循环关闭，通过散热器的流量比例显著提升。尤其在1000RPM工况，通过散热器的流量可提升65%，相对于大小循环全开时的32%提升了100%。

表6 仅开大循环时通过散热器的冷却液流量及比例

根据上述数据可知，目前的冷却系统在大循环开启后，如果小循环不关闭，将出现低转速高负荷率时冷却不足的问题。最理想的改进方案为在大循环开启后，将小循环关闭。

[1] 关跃,刘文铁,刘明科等.发动机缸盖的CFD- CAD设计方法. 哈尔滨 节能技术 2004,1.

[2] LMS AMEHelp Rev 11.

One-dimensional flow analysis of a passenger car cooling system

Wang Yue, Xin Haixia, Cui Xinjie, Chai Zhaopeng, Zhao Yanhui
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this paper, a passenger car cooling system of a turbocharged engine was studied. The one-dimensional flow analysis model of the cooling system was built by using AMESIM. The flow distribution of each branch in the cooling system of the passenger car was analyzed by the support of CFD. The results show that the flow of each branch of the cooling system has some problems in some specific conditions, and it should be further optimized.

turbocharged engine; AMESIM; cooling system; One-dimensional flow analysis

U464.138

A

1671-7988 (2016)12-78-03

王悦（1982-），男，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，研究方向发动机、变速器总成及部件仿真分析。