商用车冷却系统匹配研究

武玉臣，钟绵远，马广正，苏文娟，郎明华

（潍柴动力股份有限公司发动机技术研究院，山东 潍坊 261000）

商用车冷却系统匹配研究

武玉臣，钟绵远，马广正，苏文娟，郎明华

（潍柴动力股份有限公司发动机技术研究院，山东 潍坊 261000）

文章利用CFD软件对某商用车进行商用车冷却系统分析，并对分析车辆进行风洞试验。通过试验很好的验证了仿真的准确性，对比表明仿真的结果误差能够控制在6%以内，因此在一定条件下仿真可以代替部分试验，实现商用车冷却系统的快速匹配。通过仿真可以看出影响发动机热平衡温度的因素主要有热风回流，阻挡和合理气流流动。发动机热平衡温度的变化随环境温度的变化并不是线性关系，虽然符合“水涨船高”，但环境温度越高，其发动机热平衡温度变化越大。

CFD；商用车；冷却系统；风洞试验；匹配

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.024

CLC NO.:U463.33;TP391.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-71-03

前言

冷却系统对发动机的动力性、经济性及排放都有较大影响，若冷却系统匹配不当将使发动机各种性能指标恶化。随着经济的发展，要求发动机在相同排量情况下输出更大功率和扭矩，发动机的散热量基本随之翻番，然而车辆结构日益紧凑，留给中冷器、散热器、风扇等的空间有限。这使得对冷却系统的要求越来越高，因此有必要对发动机舱及整车的冷却系统进行研究，实现更快寻找满足冷却要求组件的目的。同时要研究整车冷却系统的影响因素，切勿进入整车出现“开锅”问题就要求增大换热组件散热面积的误区。针对这些问题对某商用车进行CFD仿真和风洞试验，找出影响热平衡的主要因素，实现冷却系统组件的合理匹配。通过仿真和试验相结合验证的方式，找到环境温度对发动机热平衡温度的影响规律。

1、模型建立

1.1 物理模型

由于整车及发动机机舱零部件多，结构复杂，所以对模型进行省去10mm以下管路，不考虑螺栓、螺孔等几何简化。对格栅处进行局部细化，保证对结果影响较大的几何模型的保留[1]。简化后的整车模型见图1。

图1 整车几何模型

1.2 数学模型

在仿真过程中假设整个流动过程为稳态湍流，空气为不可压缩理想流体，忽略壁面的热辐射，认为发动机舱气密性良好[2]。计算中的基本控制方程如下：

（1）质量守恒方程：

式中Sm为源项。

（2）动量守恒方程：

式中p是静压，τij是应力张量，ρgi为重力，Fi为外部力。

（3）能量守恒方程：

式中keff是有效热传导系数，h为焓， J为扩散流量，Sh为热源项。

1.3 边界条件

假设将整车放于风洞中心中（使用足够大的六面体空间模拟）进行计算。设定了速度入口和压力出口和壁面3种热边界。进口速度为11km/h，进风温度为38℃。根据实际情况合理设置各部分的材料属性和热边界类型。风扇采用MRF模型；散热器边界输入厂家提供的试验特性曲线，将散热器芯部当做多孔介质，空气流经该多孔介质区域，完成速度、压力变化和热交换[3]。

散热器迎面风速与压强损失的关系见表1。

表1 散热器迎面风速与压强损失关系

2、数值计算结果及分析

2.1 原结构仿真结果

从图2可以看出，原车散热器进口和风扇前端两侧面存在热风回流，导致被加热的空气又流回散热器，风扇进风温度高，降低了风扇的冷却效果[4]；从图3可以看出，原车中冷器气室对水箱有阻挡作用，导致水箱一边无冷却风通过，温度很高[5]；从图4可以看出，气流未得到充分利用，部分气流未流经换热器。

图2 热风回流

图3 气室阻挡

图4 气流未充分利用

2.2 改进方案

针对原车存在的弊端，进行改进，共提出3条改进建议。一是增加散热器下导流板[6]；二是增加散热器侧导流板；三是减少中冷器气室对水箱的阻挡。

改进后重新进行分析得到结果和原方案进行对比，如表2所示。

表2 改进方案和原方案结果对比

3、环境温度对热平衡温度的影响

3.1 仿真分析结果

为了研究环境温度对整车热平衡的影响，在在发动机工况一定以及其他条件一致的前提下，分别设置环境温度为30℃，20℃，15℃，5℃进行模拟计算。水箱进水口的温度分别为96.65℃，85.29℃，79.15℃，69.14℃，如图5所示。

图5 仿真水箱进水口温度

3.2 风洞试验结果

为了验证仿真结果对整车进行风洞试验，得到30℃，20℃，15℃，5℃环境温度下真实的水箱进口，如图6所示。

图6 试验水箱进水口温度

3.3 仿真结果与试验结果对比

对仿真结果和试验结果进行对比分析可以得出，仿真误差不超过6%；随着环境温度的升高，热平衡的温度变化要大于环境温度的变化[7]。仿真结果和试验结果的对比见表3；环境温度对发动机水温的影响见图7；对试验结果进行分析，通过多项式拟合得到发动机出水温度随环境温度的变化方程为：

变化曲线如图8所示。

表3 仿真结果和试验结果对比

图7 环境温度对发动机水温的影响

图8 发动机出水温度随环境温度变化的拟合曲线

通过仿真和试验表明热平衡温度和环境温度并不是呈线性关系，发动机热平衡的温度变化要大于环境温度的变化。

4、结论

通过数值分析和试验验证的方法，对本商用车冷却系统进行研究得出如下结论：

（1）热风回流、阻挡以及气流利用率低是导致水温高的主要原因；

（2）仿真与试验相比，误差在6%以内，可以使用仿真代替部分试验；

（3）发动机工作状态一定条件下，随着环境温度的升高，发动机热平衡温度也逐渐升高，但是呈现非线性，热平衡温度变化要大于环境温度，拟合多项式为：

[1]王福军.计算流体动力学分析.北京：清华大学出版社,2004.

[2]陶文栓.数值传热学.西安：西安交通大学出版社,1988.

[3]赵新明.发动机舱内温度场的可视化分析及改善措施.中国机械工程. 2004.15(14)：1306-1308.

[4]唐因放. 发动机舱散热的CFD研究.北京汽车，2009.

[5]周建军,杨坤.数值模拟在整车热管理中的应用.设计研究，2009

[6]Dave Crolla. A Vehicle Dynamics Theory into Practive[J].Journal of Auto Engineering.2006,210(2)：83-94.

[7]Fernando D,Goncalves,Mehdi Ahmadian.A Hybrid Control policy for Semi-active suspensions .Shock and Vibration,2014,10(1)：59-69.

[8]Jolly M R, Margolis D L 1 Regenerative system s for vibration control Trans of ASMEJ of the vibration and acoustics, 2013,119：154[1]6～1561.

Matching of Cooling System for Truck

Wu Yuchen, Zhong Mianyuan, Ma Guangzheng, Lang Minghua

( Weichai power Co., LTD. Engine technology research institute, Shandong Weifang 261000 )

This paper presents a simulation of the cooling system of a truck with CFD. Also a thermal balance wind tunnel test is done. The simulation and test error can be control in 6%,so simulation can replace some test in the condition. It shows that there are 3 main factor which influence the thermal balance, they are circumfluence, block and flow. Temperature of the thermal balance increases along with environment non-linear.

CFD; Truck; Cooling system; Wind tunnel test; Match

U463.33；TP391.9

A

1671-7988 (2017)02-71-03

武玉臣（1980 -），男，汉族，潍柴动力股份有限公司发动机技术研究院高级工程师，从事发动机研究、整车匹配等的学习和研究。