冷却模块独立风道对发动机舱热管理的影响

2021-03-25罗雪香

新型工业化 2021年12期

罗雪香

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门 361023）

0 引言

近几年，随着国内汽车出口量的增加，覆盖区域扩大，汽车所适应的环境越来越复杂苛刻，对发动机舱的热管理性能要求也随之提高，因此急需研究如何优化发动机舱散热性能。目前发动机舱热管理主要研究方向：一是考虑发动机及冷却系统部件，在冷却液这个维度上确保发动机在安全温度下工作；另一方面通过合理布置发动机舱内各种元件，确保发动机舱内的流场和温度场合理[1-2]，保证在不同工况下发动机舱内部各个零部件都在其最佳工作温度范围内[3]。

本文是基于某型客车发动机舱舱温过热导致零部件损毁的背景，提出一种改善发动机舱舱温方案。即在换热器与发动机之间安装一个开口向下的导流罩，形成独立的风道，隔绝热风吹向发动机舱，并将热风直接导出车外。通过CFD数值仿真计算探讨风道形状参数对冷却系统进风量的影响，从而指导独立风道的设计参数，以达到最佳散热效果[4]。

1 仿真模型的建立

1.1 独立风道CAD模型

冷却模块独立风道几何模型如图1所示。在冷却系统末端与发动机之间安装一个开口朝下的风道。考虑到冷却系统后端增加风道会影响进风量，为了最大限度减小风道对进气的阻碍作用，因此有必要对风道结构参数进行研究。风道结构参数主要考虑深度和倾角，为使热风更通畅流出，风道上表面设定一定的斜向下倾角Θ。深度d由100mm按Δd=50等差增加到350mm；倾角Θ由0度按等差值ΔΘ=10°增加至70°，见图2。

图1 风道安装示意图

图2 风道结构

1.2 数学模型

所有流体流动都必须遵守物理守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[5]。

质量守恒

ρ密度，vx，vy，vz速度在x，y，z方向上分量，质量守恒方程也称连续性方程。

动量守恒方程[3]

能量守恒方程

cp：比热容，K传热系数，ST黏性耗散项

对于速度小于0.3Ma的流动空气一般可以看作是不可压缩气体[6]。汽车的行驶速度远小于0.3Ma=360km/h。因此，本文采用不可压缩、分离流进行稳态计算，湍流模型采用SST k-ω模型。

1.3 网格划分

对模型进行几何处理，去除一些不重要的零部件及特征，形成封闭的空间。根据整车形状尺寸按比例建立一个长方体的计算域，车前为3倍车长、车后为4倍车长，宽度为7倍车长，高度为5倍车长。采用STARCCM+的切面体网格模型（Trimer）生成体网格，边界层厚度设为16，增长比为1.2，共43381862个网格，50098431个节点，见图3。

图3 发动机舱网格

1.4 边界条件

仿真计算工况为最大功率工况，车速为100km/h，相关的边界条件如表1所示：

2 仿真分析结果

2.1 风道参数对进风量的影响

风道结构参数的变化对发动机舱侧格栅、中冷器、散热器的进风量变化如图4 所示。随着风道深度d增加，左进气格栅、中冷器和散热器的进风量均逐渐增大，当d=350mm时，各进风量与无导风罩基本相当。因此风道深度应取350mm，能保证进风量。

图4 风道参数对进风量的影响

基于深度d=350mm风道，随着风道上部倾角Θ的变化，发动机舱侧格栅、中冷器、散热器的进风量变化如图5所示。当风道倾角在10°～30°范围内各项进风量比较大，其中以20°最优。结合发动机舱内的安装空间，最终选择深度为350mm，倾角为10°的导风罩。

2.2 风道对发动机舱流场的影响

风道对发动机舱内流场的见图5所示，风道隔断了换热器流出的热风直接吹向发动机，而是从底部排出。风道的深度和风道上方的倾角对流场有一定的影响，随着导流罩深度的增大，对进气的阻挡用作越小，气流越顺畅；当上表面倾角较小时可减弱矩形导流罩产生的涡流，使气流更加顺畅，当倾角增大到一定角度后，斜边会阻挡中冷器，减小中冷器的进风量。