汽车发动机冷却风扇对机舱热管理影响的研究

李飞，施鹏飞，于剑泽

汽车发动机冷却风扇对机舱热管理影响的研究

李飞，施鹏飞，于剑泽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

文章应用CFD软件STAR CCM+及AMEsim研究了汽车发动机冷却风扇对机舱热管理的影响，在建立三维整车热管理系统数值模型的同时，建立了发动机冷却系统一维仿真模型。得到了车辆在不同转速和车速下散热器和冷凝器的进风量，分析了不同车速下，发动机冷却风扇转速与冷却模块进风量之间的关系，以及散热器进风量对发动机冷却液水温的影响。结果表明：随着车速的提高，风扇转速对散热器进气量的影响逐渐降低。当车速小于60km/h时，风扇转速对散热器进气量的增加有明显的作用；结合车辆开发性能要求，通过一维、三维联合仿真确定了该车辆发动机冷却风扇的合理转速，并且验证了所选风扇转速的合理性和可靠性。

热管理；冷却风扇；冷却系统；风扇转速

前言

汽车发动机冷却系统的开发设计是整车热管理工作中的重要内容。发动机冷却液维持一个合理、稳定的温度范围内，对提高整车的能量利用率和燃油经济性起到关键性的作用。冷却风扇作为发动机冷却系统的重要组成部分，其设计的合理性直接影响到整个冷却系统的性能。

对于发动机舱热管理技术及发动机的冷却性能国内外的学者们已有过深入的研究。运用一维、三维耦合的方法分析发动机舱热管理及发动机冷却系统的问题逐渐成为研究的主要技术手段。湖南大学谷正气等运用一维、三维联合仿真工具分析并优化了某款新轿车的冷却性能，结果证明了这种联合仿真在热管理分析中的优势[1]。上海交通大学张宝亮等通过一维和三维联合迭代的方法研究亮整车的热管理问题，为车辆前期热管理的仿真分析提供了一种有效的分析方法[2]。MAGNA公司的Christoph Stroh等运用一维软件KULI，并结合三维CFD仿真分析了整车的热管理系统，提高了热管理仿真计算的精度和可靠度[3]。Norihiko Watanabe等使用CFDlink实现了一维软件Flowmaster和三维仿真软件的耦合计算，并通过该方法实现了对某发动机冷却循环的仿真模拟[4]。

本文以某款自然吸气MPV车型为研究对象，建立了完整的整车仿真分析模型，利用CFD商业软件STAR-CCM+ 计算了冷却模块表面的进风量。分析了风扇转速、车速与进气量之间的关系。用AMEsim软件模拟了车辆发动机的冷却系统，计算了车辆在速度50km/h、坡度为9%、环境温度38℃的工况行驶时发动机的冷却性能。通过对结果的分析选择一个合理的风扇转速，并验证了所选风扇转速的合理性。

1 基本控制方程及模型

1.1 基本控制方程

由于车辆机舱内部的气流速度低且密度变化小，假设气体为粘性、定常、不可压缩流体，基本控制方程为[5]：

连续方程

能量方程

雷诺时均方程

用于描述写湍流的纳维-斯托克斯方程很难应用解析方法来进行求解。因此，学者们主要通过统计学或者平均的方法来解决湍流问题。

雷诺时均方程的连续方程和动量方程为：

1.2 发动机模型

发动机燃烧产生的热量由三部分消耗掉，包括用于车辆驱动的有用功、排气带走的热量消耗及发动机冷却液带走的热量[6]。发动机单位时间所散发的热量为：

为保证吊运材料安全，需用钢筋做1个笼子。笼子的底面制作为可拆装式，便于装卸材料。最大起吊质量200 kg，卷扬机选用3 t的，钢丝绳选用左交互捻Ф 10(6×19)纤维芯，公称抗拉强度1 570 MPa。

其中，为发动机散热量比例系数；M为燃油流量；Q为燃油热值。

传递给冷却液的热量为：

其中，为发动机机体与冷却液的对流换热系数；为热交换面积；T为发动机气缸壁的温度，则可以得到发动机机体的热平衡方程为：

其中C为发动机机体的热容量。

2 计算模型的搭建

2.1 三维网格划分及边界条件设置

本文建立了完整的外流场仿真模型，设车辆长、宽、高分别为L、W、H，外部流体域为车前3L，车后6L，宽度为6W，高为6H。体网格划分时，在机舱内部、前保及车灯附近添加边界层，并且在发动机舱和底盘添加网格加密区，采用Trimmer网格进行体网格划分，体网格数量为17641185，生成的体网格如图1所示。

图1 整车体网格

入口处的边界条件采用速度入口边界，出口为压力出口,对于散热器和冷凝器则采用多孔介质模型，用来计算冷却模块的进气量。冷却风扇采用MRF（Moving Reference Frames）模型设置。风扇转速分别为2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min；车速分别为0 km/h、30 km/h、60 km/h、90 km/h、120 km/h、150 km/h共24个计算模型。

2.2 一维模型及边界条件

图2为一维冷却仿真示意图。整个冷却系统包括发动机、水泵、电子节温器、散热器、膨胀水箱及暖风芯体，发动机的出水温度决定电子节温器的开度。气流通过前进气格栅后依次经过冷凝器、散热器和发动机从而对发动机和空调系统进行冷却。

图2 一维冷却仿真示意图

计算工况点为车辆在时速50km/h，坡度为9%，环境温度38℃。散热器和冷凝器表面进气量采用三维计算得到的结果，散热器换热参数根据单体试验数据通过AMEsim软件标定获取；水泵、膨胀水箱等零部件的计算参数根据单体试验得到的数据作为输入。

3 计算结果分析

3.1 不同工况仿真计算结果分析

三维进气量计算结果如图3所示，车速和风扇转速越大，散热器表面的进气量也越大。随着车速的提高，风扇转速对散热器表面的影响逐渐降低。当车速小于60km/h时，风扇转速对散热器表面进气量的增加有明显的作用，风扇转速每提高500RPM，进气量增加0.15kg/s左右。当车速高于60 km/h时，风扇转速对散热器表面进气量的增加基本保持不变，风扇转速每提高500RPM，进气量增加0.1kg/s左右。随着车速的提高，风扇转速对散热器表面的影响逐渐降低。

图3 散热器进气量仿真结果

冷凝器表面的进气量趋势如图4所示，随着车速的提高，风扇转速对冷凝器表面的影响也是逐渐降低的。但是由于布置原因，冷凝器在散热器正前方，风扇对冷凝器进风量的增加量基本稳定在0.08kg/s左右。当车速大于30km/h时，冷凝器表面的进气量变化基本跟车速保持线性关系，冷却风扇对冷凝器进风量的影响较小。

考虑到冷却风扇主要作用是对散热器进行冷却，且冷凝器对气流的阻力也直接影响散热器的进风量。因此，在车辆开发的前期，对散热器进风量做出要求的同时，需要建立冷凝器与散热器进风量之间的关系，进而作为一维冷却的边界条件输入。如图5所示，根据散热器进风量和冷凝器进风量的计算结果拟合出一条趋势线，作为关联两个冷却模块之间进风量的映射关系。

图4 冷凝器进气量仿真结果

图5 散热器进风量与冷凝器进风量拟合曲线

根据对风扇转速的分析，并结合实际工程经验，

当车辆在时速50km/h，坡度为9%，环境温度38℃的情况下车辆行驶状态相对恶劣，且此时风扇转速对整个冷却系统性能的影响较大。散热器不同进风量与发动机出水口处温度的关系曲线如图6所示。随着散热器进风量的不断增加，发动机出水口的温度逐渐降低。

根据车辆性能开发要求，发动机出水口处的水温需要小于115℃，才能保证发动机的冷却性能，此时，散热器表面的进风量直接影响冷却液的温度。根据图6中的曲线可知，当水温为115℃时，对应此时散热器的进风量为0.77kg/s。

3.2 选定风扇转速下仿真计算结果分析

由图3可知，当车速为50km/h，且保证散热器的进风量大于0.77kg/s，冷却风扇的转速至少为2500~3000RPM才能够保证发动机冷却系统的性能不受影响。在风扇转速的选择时，冷却风扇转速过低将导致发动机冷却系统能力不足，影响车辆的安全性，转速过高会产生过大噪音，影响车辆的NVH性能。因此，选择冷却风扇转速为2750RPM进行新一轮的联合仿真分析。

根据三维进气量仿真分析，当冷却风扇转速为2750 RPM、车速为50km/h时，冷凝器的进气量为0.85kg/s，散热器的进风量为0.82 kg/s。联合一维仿真分析计算，结果如图6所示。此时，发动机出水端的冷却液温度为112.5℃，能够满足车辆开发前期发动机冷却性能的要求。

图6 发动机冷却液温度

4 结论

本文通过CFD一维和三维耦合的方法对某车型发动机舱及冷却系统进行联合仿真分析。根据三维发动机舱进气量的仿真分析了风扇转速对冷却模块进气量的影响，再结合仿真结果选出合理的风扇转速，并且验证了所选择风扇转速在前期开发过程中的合理性。结果表明：

（1）随着车速的提高，风扇转速对散热器表面的影响逐渐降低。当车速小于60km/h时，风扇转速对散热器表面进气量的增加有明显的作用。

（2）风扇转速在2750RPM时，发动机出水端水温112.5℃，满足车辆开发前期发动机对冷却性能的要求，验证了三维分析的合理性。

[1] 梁小波,袁侠义,谷正气,等.运用一维/三维联合仿真的汽车热管理分析[J].汽车工程,2010,32(9):793-798.

[2] 张宝亮,范秦寅,胡广洪,等.整车热管理的一维与三维耦合仿真[J]. 汽车工程, 2011, 33(6):493-496.

[3] Stroh C,Reitbauer R, Hanner J. Increasing the Reliability of Desig -ning a Cooling Package by Applying Joint 1D / 3D Simulation[J]. Cad, 2006.

[4] Watanabe N, Kubo M, Yomoda N. An 1D-3D Integrating Numerical Simulation for Engine Cooling Problem[C]// SAE 2006 World Cong -ress & Exhibition. 2006:438-443.

[5] 陶文铨.数值传热学(第2 版) [M]. 西安:西安交通大学出版社, 2001:4-5.Tao Wenquan.Numerical Heat Transfer(2nd ed.)[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press,2001:4-5. (in Chinese).

[6] 仲韵,顾宁,梁乐华,等.基于AMESim的发动机冷却系统的仿真分析[J].交通节能与环保,2008(1):38-41.

Study on Influence of Engine Cooling Fan on Thermal Management

Li Fei, Shi Pengfei, Yu Jianze

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The influence of engine cooling fan on thermal management is researched by using CFD software STAR CCM+ and AMEsim, a mathematic model of vehicle thermal management is established. At the same time, one-dimensional mathematic model of the engine cooling system is built. The airflow of radiator and condenser are obtained at different velocity and cooling fan speed, analyzed the relationship between cooling fan speed and airflow of cooling system at different velocity, the influence of radiator airflow on engine coolant temperature is also be analyzed. The results show that the effect of cooling fan speed on radiator airflow decreases with the velocity increase. When the speed is less then 60km/h, the cooling fan speed has an obvious effect on the increase of radiator airflow. With the vehicle development performance requirement, the reasonable speed of the engine cooling fan is determined by coupling simulation, and verified the rationality and reliability of the selected fan speed.

Thermal management; Cooling system; Cooling fan; Fan speed

U467

A

1671-7988(2019)14-95-04

U467

A

1671-7988(2019)14-95-04

李飞，工程师，硕士，就职于华晨汽车工程研究院，研究方向为整车动力性、经济性、热管理及轻量化相关。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.030