启动发电一体化车辆发动机舱散热的数值模拟

陈冠宇，资新运，许 翔，曾繁绮，边浩然

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

● 车辆工程VehicleEngineering

启动发电一体化车辆发动机舱散热的数值模拟

陈冠宇1，资新运2，许 翔2，曾繁绮1，边浩然1

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

为解决启动发电一体化车辆在驻车发电时发动机舱内温度过高的问题，利用计算流体动力学(CFD)方法和CFD软件Fluent，对发动机舱空气流场和温度场进行数值模拟，得出发动机舱内部的流场和温度分布。计算发现：该发动机舱的部分区域存在由于空气流动速度低导致热量累积的问题。针对出现的问题提出改进方案，并通过数值模拟对改进效果进行验证，表明改进后发动机舱的散热效果得到明显改善。

启动发电一体化；计算流体力学；发动机舱；散热

目前，我军通用移动电站逐渐被具有自发电系统的车载式移动电站所取代，这种移动电站体积小、重量轻，简化了发电装备的结构，降低了成本[1]。但是由于驻车发电时发动机舱的热环境比较差，经常会导致发动机无法正常工作，所以发动机舱的散热问题显得尤为重要。

近年由于计算机技术的不断发展，汽车计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)得到广泛的应用[2]。国外在这方面的研究起步较早，Anders Jonson[3]在新车型开发时利用Fluent对发动机舱内外流场进行耦合计算，从而解决了热管理问题；福特公司[4]通过增加空气挡板来对旗下新车型的发动机舱进行结构上的改进，从而改善散热效果；李锋[5]将模拟计算得到的数据与实际试验结果进行对照，发现仿真结果与实验结果拟合较好，证明了数值模拟的准确性；袁志群等[6]在包括风洞试验在内的多个方面，对汽车的热管理问题都进行了比较深入的探索与研究。

本文研究的是一种新型的电源车，该电源车通过在车辆离合器与变速器之间增加启动发电一体化电机(integrated starter/generator，ISG)等配套改进措施，实现了车辆启动发电一体化，其驻车发电时，发动机带动ISG向外发出一定功率的电力供给其他设备。由于是驻车发电，没有运动时产生的空气对流，而且此时发动机的负荷要比车辆正常怠速工况下高很多，因此，对发动机的散热提出了更高的要求。对于这种特殊工况下的发动机舱的散热问题，国内外还少有人研究，本文利用ANSYS公司开发的CFD仿真软件Fluent，对发动机舱内的温度场和速度场进行分析，找出发动机舱内的局部高温区域，分析其高温产生的主要原因，并针对以上问题提出了优化方案，通过仿真计算，验证了优化方案的可行性。

1 发动机舱流动与传热数值模型

1.1建立几何模型

在驻车发电的工况下，由于空气绝大部分都是从汽车前方的进气格栅进入到发动机舱内，所以设置这部分为计算域的入口，与此相对应的计算域的出口设置在流出大部分气体的机舱后方。考虑到划分网格的难度、计算机自身的计算能力以及工作成本，对机舱模型进行适当的简化，保留舱内的主要部件和一些必要的特征细节，在满足所研究问题要求的计算精度的同时，也能够符合工程上的经济要求。发动机舱的内部简化几何模型如图1所示。

1.2基本控制方程

由于发动机舱内部流场的空气运动速度比较小，密度的变化也较小，故可将其近似视为常数，因此可把舱内的空气流场视为三维不可压缩流场。对于流体的流动，应该遵守以下基本的物理方程。

(1)质量守恒方程。

(1)

式中：ρ为密度；u、v、w为速度矢量分别在x、y、z方向上的分量。

(2)动量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p为流体微元体上的压力；τxy、τyy、τzy等为由分子黏性作用在微元体表面上产生的黏性应力τ的分量；Fx、Fy、Fz为微元体上的体力。

(3)能量守恒方程。

(5)

式中：T为温度；cp为比热容；k为流体的传热系数；ST为流体内热源及由黏性作用机械能转换为热能的部分，它表示黏性耗散项。

1.3计算域的选择与网格划分

在建立好电源车的整车网格后，需要构建合理的计算域。构建计算域的原则是发动机舱内的流场不会被外部的流场影响到，同时还要考虑到汽车尾部的湍流影响以及计算效率，据此，车前方取3倍的车辆长度，后方取5倍的车长，上方取5倍的车辆高度，两侧取5倍的车辆宽度。

在发动机舱内，由于部件数目众多且外形较为复杂，不能采用结构网格进行划分，所以，在发动机舱内部主要采用了非结构网格。同样，在保证计算精度的前提下，为了减少计算量，对于机舱外部的流场也采用了非结构网格进行划分。

1.4湍流模型

在湍流模型的选用方面，本文采用的是标准模型，标准模型是目前应用最广的湍流模型，该模型在原有的湍流控制方程的基础上，又引进两个关于湍动能和耗散率的方程：

Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中：Gb为由浮力引起的湍动能产生项;Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;G1ε、G2ε、G3ε为经验常数;σk、σε分别是k和ε所代表的普朗特数;Sk和Sε为用户所定义的源项。

1.5边界条件

发动机舱的边界条件分为外部边界条件和内部边界条件。外部边界条件包括出口和进口边界条件。进口边界采用速度入口，由于本文所研究的流场是不可压缩的流场，所以采用了压力出口作为流场的出口边界条件。在发动机舱的内部，其包括的边界条件有多孔介质模型、换热模型和风扇模型。

由于发动机舱前端的散热器里面的结构非常复杂，若按照其实际的结构尺寸来对其进行网格划分，其计算量过于庞大，导致计算机无法承受，因此把这种换热器视为多孔介质来处理。散热器的设置可以根据试验得到的阻力曲线来获得，并将散热器当作热源处理，赋予相应的体积热源。

根据厂家提供的散热器的压强损失与气流速度相关的试验数据(见表1)，采用插值法可以求得该散热器上的相关系数。

表1 散热器压强损失与迎面风速的关系

由表1可以拟合得到的函数关系为

(8)

式中Δm为散热器的厚度。

由式(8)可知散热器的惯性阻尼系数是117.91，黏性阻尼系数是500.63，将作为多孔阻尼介质的初始输入参数。

2 计算结果及分析

截取Z平面和Y平面上通过关键部件的关键截面(如图2所示)，生成该截面的温度分布图和速度矢量图，可以在图中找到机舱的高温区域，并通过对温度云图和速度矢量图的进一步分析，找出产生高温的原因。

图2 截面位置

图3、图4所示的Y=-0.13截面穿过了进气歧管、发动机、排气歧管、风扇和散热器。在驻车发电时，机舱内的空气在散热风扇的后面速度达到最大，在排气歧管周围区域温度达到最高。从图3的速度场分布中可以看到，空气在经过散热器时由于受到阻碍，降低了风速，但随后又因为散热风扇的抽吸作用使其速度迅速攀升。气流在流经发动机时被分为两个部分，一部分向上经过发动机盖，另外一部分向下流经发动机的油底壳。在图中可以看到在发动机和散热风扇之间存在涡流，气流到达发动机后沿着机体回流到散热器之前，形成热回流。同样存在涡流的区域还有排气管和离合器下方车架的周围，气流经过时围绕其形成涡流，再次流经发动机，把排气管的热量带给了发动机，形成热回流，不利于散热效果。从图4可知，温度较高的区域主要存在于散热器的后方区域和排气歧管的附近，这是由于排气歧管的散热量很大导致周围空气温度急剧升高。

图3 Y=-0.13截面速度矢量图

图4 Y=-0.13截面温度云图

图5 Z=0截面速度矢量图

图6 Z=0截面温度云图

图5、图6所示为Z=0截面仿真计算得到的速度矢量图和温度云图。Z截面主要经过风扇、散热器、发动机和排气管。截面的高温气体主要分布在排气管周围，高温气体相对比较集中。舱内的左右温度分布不同，右边的温度比左边的温度高。对照矢量流线图和温度云图可以看出，空气流动速度低是截面局部高温的主要原因。

3 结构优化与仿真验证

针对以上对仿真结果的分析找到了发动机舱流场的高温区，并分析出高温区产生的原因主要是由于散热器散热的效果直接取决于风扇的风量，由于驻车发电无法产生对流，只能依靠风扇的旋转产生气流，风速较低，风量较小，无法满足机舱的散热要求。据此提出改进方案：在散热器的前面加装一台吹风扇，配合散热器后面的吸风扇一起对散热器进行散热。改装之后的几何模型如图7所示。

图7 改进后的发动机舱结构

对改装之后的发动机舱进行仿真计算，在相同的位置截面观察改进效果。改进后的速度矢量图和温度云图如图8、图9所示。对比图3和图8可以看出，在散热器前面加装风扇后，经过散热器流向发动机的气流速度与流量都得到明显提高，而且改进前散热器前产生的回流也因为加装的风扇而改变了流动方向，改善了回流现象带来的散热问题。对比图4和图9可以看到，改进后原来存在的高温区域的温度有了明显的改善，尤其是改进前发动机排气歧管周围区域，这是机舱内温度最高的区域，经过改进后，该区域温度明显降低，与此同时由于流速的提高以及回流现象的改善，散热器前端的高温也得到缓解，这是由于风扇数目的增加以及前后风扇的协同散热作用，使得经过散热器的空气流量增加，加快了散热器的散热速度，改善了散热器的散热效果。

为了更好地比较改进前后的散热效果，在一些重要部位比如发动机缸盖区域、排气歧管区域、散热器后方区域和变速器区域取一些较有代表性的观测点(如图10所示)，通过比较观测点在改进前后的温度值(见表2)可以看出增装风扇明显改善了散热器的散热效果。

图8 改进后速度矢量图

图9 改进后温度云图

图10 采样点位置

采样点改进前温度/℃改进后温度/℃P17857P214775P37662P46252

由表2可以看出，在发动机舱在散热器前增加风扇之后，机舱内各部分的温度整体得到改善，尤其是发动机舱盖附近和排气歧管附近区域的温度明显降低，更加具体地验证了改进的效果。

4 结 语

本文使用CFD软件实现了对新型电源车发动机舱流场和温度场的模拟。通过分析发动机舱的温度云图和速度矢量图，找出发动机舱内最高温度的位置以及流场的流动状况，分析机舱产生高温的原因，为下一步机舱结构改进提供参考。针对仿真分析的结果，采用在散热器前加装吹风扇的改进方法，增大了流过散热器的风量，与机舱本身自带的吸风扇协同作用，更好地给散热器进行散热，使得原来的高温区有明显的改善，为新型电源车机舱结构布局的设计提供参考，也为新型电源车驻车发电提供了可靠保障。

通过仿真计算表明，边界条件对数值模拟的结果影响很大，有必要进一步提高实验数据的精确程度。由于排气管和车架的周围存在较大涡流，所以可以考虑在这些区域合理的位置增加空气导流板，改善空气的回流现象，这样既可以解决涡流的问题，又能让更多的空气对发动机进行散热。

[1] 胡玉贵,栗彦辉.军用移动电站需求分析[J].移动电源与车辆,2001(1):44-47.

[2] 袁侠义.汽车发动机舱热管理研究与改进[D].长沙:湖南大学,2010.

[3] ANDERS J. On the thermodynamics development of the New Volvo XC 90 using FLUENT[C]//1st European Automotive CFD Conference, Germany: 2003.

[4] EDINILSON A. CFD approach on underhood thermal management of passenger cars andtrucks[C]. SAE Paper 3577-2003.

[5] 李锋.卡车发动机机舱散热性能分析[D].北京:北京林业大学,2010.

[6] 袁志群,谷正气,方遒,等.基于冷却系统数值模型的发动机舱流动阻力特性研究[J].中国机械工程,2011(4):474.

(编辑：张峰)

NumericalSimulationonHeatDissipationofIntegratedStarter/GeneratorVehicleEngineCabin

CHEN Guanyu1, ZI Xinyun2, XU Xiang2, ZENG Fanqi1, BIAN Haoran1

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To solve the high temperature in engine cabin while an intergrated starter/generator(ISG) vehicle is generating, the paper firstly makes numerical simulation on air flow field and temperature field in engine cabin with computational fluid dynamics (CFD) method and Fluent software, and obtains flow field and temperature distribution in engine cabin. The calculation shows that heat accumulation in some region of the engine cabin is caused by low air flow rate. Then, it puts forward improvement scheme for the problem and verifies the improvement effect through numerical simulation. The result shows that the heat dissipation effect of the engine cabin has been improved obviously.

intergrated starter/generator(ISG); computational fluid dynamics (CFD); engine cabin; heat dissipation

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.010

U1463.6

A

1674-2192(2017)10- 0038- 05

2017-06-30；

2017-08-25.

陈冠宇(1995—)，男，硕士研究生；资新运(1971—)，男，博士，教授，博士研究生导师.