某轿车发动机舱热流场实例研究*

荣升格 ,施帆君,汪婧,张胜

(1.芜湖凯翼汽车有限公司，安徽 芜湖 241000；2.安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

某轿车发动机舱热流场实例研究*

荣升格1,施帆君1,汪婧2,张胜1

(1.芜湖凯翼汽车有限公司，安徽 芜湖 241000；2.安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

某轿车在进行整车冷却温度场试验时，发现其发动机舱内进气口、散热器风扇表面、转速传感器、蓄电池表面等零部件温度值均超其设计耐热极限值，为了解决这一问题，通过计算机模拟，运用流体分析Fluent软件对发动机舱进行热流场仿真分析，发现发动机舱内部流场回流严重，通过优化分析，增加泡沫缓冲块以及封堵前格栅盖板后，发动机舱内部回流现象被有效控制。

冷却温度场；计算机仿真；热流场

近年来，伴随国内经济的高速发展，轿车普及速度越来越快，消费人群的分布也从单一型走向多元型，同时国内环境气候温度带分布广泛，南北地区温度极差较大，对于轿车使用工况也复杂得多，通过整车温度场试验考察轿车在不同工况下冷却性能以及零部件热害值[1]，已成为主机厂不可或缺的一项基本试验要求。

对于小型轿车而言，发动机舱布置较为紧凑，且为半封闭式空间，不合理的布置空间[2]会导致舱内热空气回流，零部件工作温度提高，使用寿命缩短；相关文献提出[3-5]，发动机舱内温度过高，直接影响整车动力性，同时空燃比减小，整车油耗增加。因此，合理布置发动机舱附件是影响整车动力性、经济性的重要条件。

1 实例研究

以某A0级轿车为例，在开发过程中进行整车温度场试验。其中试验条件：怠速工况以及行驶工况(速度40 km/h)，环境温度38℃。试验结果表明:怠速和行驶条件下该轿车发动机舱内部分附件温度超标，整车温度场试验结果如表1所示。

表1 整车温度场试验结果Table 1 Testing results of entire car temperature field

从试验结论中可以看出，无论是怠速条件还是行驶过程中，发动机周边附件温度均为超标，进气口温度超出设计温度7 ℃～10 ℃，进气温度过高会直接导致整车动力性、经济性下降。散热器表面、转速传感器、蓄电池表面温度超标，会加速零部件的热老化，长期处于高温工作状态，会直接缩短零部件使用寿命，引起售后市场抱怨，影响车辆销售。经过初步分析判断，发动机舱内零部件工作温度超标主要是因舱内温度场存在热空气回流，必须要通过优化舱内部场进行解决。本文通过计算机流体力学(Computatonal Fluid Dynamics，CFD)结合流体分析软件Fluent对发动机舱内部流场进行仿真模拟计算，分析舱内流场趋势，并提出合理的解决方法与措施。

1.1 仿真模型

因轿车发动机舱布置较为紧凑而且复杂。为了保证计算机模拟发动机舱流场的准确性，本文对轿车模型比例采用1∶ 1导入，对车身、底盘等部件采用粗网格进行处理以保持整车的完整性。发动机舱前端模块采用通用的冷凝器、散热器、风扇布置顺序[5]，因前端模块对流场分析结果较大，此处采用细网络化处理提高计算精度。

采用CFD模拟内部流场分析，分布步骤如下：通过前处理软件GMBIT对发动机舱零部件及整车数据进行简化处理；覆盖零部件2D网格；设定计算域，通过软件处理生成3D网格；选择数值计算模型并设定计算条件，进行定常计算；导出分析结果。

本文结合仿真模型与数值模型，对该轿车发动机舱内进行详尽的模拟说明：整车与发动机舱2D3D网格生成；设定边界条件，选择数值模型计算参数；导出计算结果；分析对比计算结论，优化边界条件，提出解决发动机舱流场回流的方法。

在模拟舱内流场仿真计算时，整车外部流场状态对其影响较大，因此本文将外部流场计算域导入数值模型中。并将舱内流场与舱外流场进行区域划分，根据不同的区域定义不同网格细化程度。整车共计处理网格1 500万，整车仿真模型与舱内模型如图1所示。

图1 发动机舱前部(左)与发动机舱内部(右)模型Fig.1 Front part of engine cabin(left) and interior part of cabin (right)

1.2 数值计算方法

依据流体力学原理，发动机舱内的流体属于不可压缩性质，如考察内部流体运动状态可采用Navier-Stokes Equations方程来计算，简称N-S方程。N-S方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，具有计算迭代性。结合N-S方程，其数值模拟公式如下：

(1)

(2)

(3)

由于边界条件设定直接影响整个计算过程精确性，合理设置计算边界，对实际工程指导意义会产生重大影响。发动机舱内流场模拟边界条件的设定，可以从车辆运动速度、压力条件、壁面边界、复杂部件定义、自运动部件定义等考虑。

考虑到冷却系统、转向系统、电路系统等部件较为复杂，本文统一定义多孔介质进行处理。对于舱内自运动件有散热器风扇，则考虑采用MBF方法模拟。计算边界条件约束：运动速度即模型入口速度，考虑采用两种工况条件怠速工况0 km/h，以及车速40 km/h；出口压力条件，在计算中的出口面，采用一个大气压；壁面边界，设定壁面运动速度为0 m/s；多孔介质处理，通过设置惯性阻力系数，黏性阻力系统及孔隙率，对于冷却系统的多孔介质处理数值由产品设计部门提供。

1.3 计算结果

散热器风扇速度为2 380 rpm，工况条件：怠速工况0 km/h以及车速40km/h，地面定义为滑移。其中冷凝器、散热器多孔介质参数设定如表2所示，冷却模块风量计算结果如表3所示。

表2 冷凝器、散热器多孔介质参数设定表Table 2 Parameters of multiporous media of condenser and radiator

表3 冷却模块风量计算结果Table 3 Input air calculation results of cooling block

1.3.1 怠速工况

通过CFD计算机模拟后，怠速条件下，冷凝器与散热器入口面上速度分布如图2所示。

图2 冷凝器(左)与散热器(右)进口风速图(0 km/h)Fig.2 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator(right)

由于副驾侧风扇离散热器出口面约10 mm，主驾侧风扇离散热器出口约28 mm，形成副驾侧风扇抽吸猛烈，对应风速较高；而主驾侧风扇由于空间足够，抽吸作用相对较弱，但均匀性较好。从表3中的流量来看，主驾侧风扇效果好于副驾侧风扇。散热器和冷凝器间距为10 mm左右，使得风扇对冷凝器的抽风效果较明显。对进入冷凝器和离开散热器风扇的气流流线图如图3所示：

图3 冷凝器进口(左)与离开风扇出口(右)气流流线图(0 km/h)Fig.3 Air flow line of condenser enter port(left) and radiator fan outlet(right)

从风扇出来的冷却气流，有很严重的回流现象，主要路径是前防撞横梁与前保间的间隙；发舱盖与水箱上横梁之间的间隙。进入冷凝器的气流大部分来自下格栅。

1.3.2 40 km/h工况

车速为40 km/h条件下，冷凝器与散热器入口面上速度分布如图4所示。

图4 冷凝器(左)与散热器(右)进口风速图(40 km/h)Fig.4 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator(right)

因双风扇抽吸作用较强，在40 km/h工况下，冷却模块流量增加不是很多。40 km/h对进入冷凝器和离开散热器风扇的气流流线图如图5所示，图6为各切面速度矢量图。

图5 冷凝器进口(左)与离开风扇出口(中)、周边进入散热器(右)气流流线图(0 km/h)Fig.5 Air flow line of condenser enter port(left),fan outlet(middle)and radiator(right)

图6 各切面速度矢量图(40 km/h)Fig.6 Vector of each section speed

进入冷凝器的气流主要来自下格栅；从Z向切面速度矢量图可见，冷凝器及散热器侧面回流较少；部分气流未经过冷凝器便直接从上下间隙进入了散热器；从上格栅进入的气流主要由水箱上横梁处流入舱内，未经过冷却模块，属无效气流。

1.4 计算分析

经过与数据库对比发现：散热器的空气侧风阻偏小，导致计算得出的散热器风量变大。同时舱内空间布置不合理，考虑调整副驾侧风扇位置，以增强抽吸效果；发动机舱内主要回流来源于前防撞横梁与前保间的间隙。建议此处增加泡沫缓冲块，则回流现象会减弱；同时对冷却模块与车身钣金件之间的加强密封，尤其是水箱上横梁与发舱盖之间、冷凝器与散热器之间的密封。

2 优化方案

考虑车辆防撞横梁与前保间的间隙是回流主要路径，同时周边冷却模块并未完全封堵。优化方案采用增加泡沫缓冲块，以及增加前格栅盖板，优化内部流场路径，优化后数模结构见图7。

冷却模块风量计算结果如表4所示。

图7 增加前格栅盖板与泡沫缓冲块截面图Fig.7 The section of grille cover and foam cushion block before increasing

表4 冷却模块风量计算结果Table 4 Wind calculation result of cooling block

2.1 怠速工况

优化增加泡沫缓冲块与前格栅盖板后，在怠速条件下，冷凝器与散热器入口面上速度分布如图9所示。

图8 冷凝器(左)与散热器(右)进口风速图(0 km/h)Fig.8 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator (right)

副驾侧风扇离散热器出口面较主驾侧近，导致副驾侧局部风速较高；而主驾侧风扇由于空间足够，均匀性较好。从表4中的流量来看，主驾侧风扇效果好于副驾侧风扇。散热器和冷凝器间距为10 mm左右，使得风扇对冷凝器的抽风效果较明显。Y=100 mm与Z=253 mm切面速度矢量图如图9。

从图9可以看出加入前格栅盖板，阻滞由风扇出来的热风回流进入冷凝器，对冷却性能起到了良好的效果。

图9 Y=100 mm与Z=253 mm切面速度矢量图(0 km/h)Fig.9 Secetion speed vector when Y=100 mm and Z=253 mm

2.2 40 km/h工况

40 km/h条件下，冷凝器与散热器入口面上速度分布图以及Y=100 mm与Z=253 mm切面速度矢量图如10、图11所示。

图10 冷凝器(左)与散热器(右)进口风速图(40km/h)Fig.10 Enter port wind speed of condenser(left)and radiator (right)

图11 Y=100 mm与Z=253 mm切面速度矢量图(40 km/h)Fig.11 Secetion speed vector when Y=100 mm and Z=253 mm

因双风扇抽吸作用较强，在40 km/h工况下，冷却模块流量增加不是很多。同时在怠速工况下，由于前格栅盖板中部存在空洞，冷凝器和散热器的上部仍有一些回流；在40 km/h工况下，冷却模块周围的回流较少。

2.3 优化计算分析

经过优化分析，加入泡沫缓冲块和前格栅盖板，改善原车型中前防撞横梁与前保险杠之间、发舱盖与水箱上横梁之间明显的回流现象。40 km/h行驶工况下，基本解决前舱流场回流问题。综上所述，优化后的发动机舱冷却流场整体效果较好。

3 结 论

在整车开发前期，发动机舱的零部件布置是影响整车动力性、经济型的重要因素；发动机舱的零部件布置前期，通过CFD流场分析，可以有效地避免发动机舱内部热流场回流问题，并快速有效地寻求到最佳方案；对于工程案例来说，通过计算机仿真模拟，可以有效节约主机厂在进行整车开发的周期以及研发成本；计算机仿真模拟发动机舱内流场分析的高效性，准确性，应作为后续主机厂开发整车的重要工作方向。

[1] 赵永坡,刘鹏,刘二宝.发动机舱过热的仿真分析[J].汽车工程师,2009(9):30-32

ZHAO Y P,LIU P,LIU E B.Simulation Analysis of Engine Room Overheat[I].Automotive Engineer,2009(9):30-32

[2] 彭岳华,高卫民,徐康聪.轿车发动机关键零部件的布置研究[J].汽车技术,2010(5):27-30

PENG Y H,GAO W M,XU K C.Research on the Layout of Key Parts of Car Engine[J].Automotive Engineering,2010(5):27-30

[3] 袁狭义,谷正气,杨易.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

YUAN X Y,GU Z Q,YANG Y.Numerical Simulation Analysis of Heat Dissipation in Automotive Engine Room[J].Automobile Engineering,2009,31(9):843-847

[4] FORTUNATO F,DAMIANO F,MATTEO L D,et al.Underhood Cooling Simulation for Development of New Vehicles[C]∥Proceedings of VTMS,2005

[5] PATIDAR A,GUPTA U,MARATHE N.Optimization of Front End Cooling Module for Commercial Vehicle Using CFD Approach[C]∥Proceedings of SIAT,2013

Example Research on Thermal Current Field of Car Engine Cabin

RONGSheng-ge1,SHIFan-jun1,WANGJing2,ZHANGSheng1

(1.Wuhu Caiyi Auto Co.,Ltd,Anhui Wuhu 241000,China; 2.School of Computer and Information,Anhui Polytechnic University,Anhui Wuhu 241000,China)

When a car was testing on its entire vehicle cooling temperature field,it was found that the temperature of its engine compartment air inlet,radiator fan surface,speed sensor,battery surface and other parts exceeded its temperature value of the design of thermal limit.Through computer simulation,by using fluid analysis software Fluent to conduct thermal flow field simulation analysis of engine compartment,this paper found that the interior recirculation of engine cabin was serious.Through optimizing analysis,by increasing foam cushion block,and by blocking front grille cover,the interior recirculation phenomena in the engine cabin were effectively controlled.

cooling temperature field; computer simulation; thermal current field

TH164

：A

：1672-058X(2017)05-0088-07

责任编辑：罗姗姗

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0005.015

2016-11-03；

：2016-12-28.

安徽工程大学计算机应用技术重点实验室开放基金项目(JSJKF201609).

荣升格(1982-)，男，内蒙古乌兰察布人，工程师，硕士，从事车辆冷却温度场和计算机仿真研究．