基于某1.5tSUV排气热害分析

王心宇，耿胜民

（北京希艾益科技有限公司，北京 100076）

引言

采用仿真手段对排气系统进行热害分析，分析周期短，得出的温度分布可用于指导整车热平衡、热害试验布点[1]，使用计算机仿真的成本远小于整车热平衡试验，但得出的结果可靠性不高，对操作者依赖性强，验证实验又是必不可少的。相对于整车热害试验高昂的试验费用，仿真分析方法可以最大限度节约开发成本，缩短开发周期，样车试制前进行风险点评估[2]。

1 模型介绍

三维CFD流体模型设置。处理整车数据包括机舱零部件，外CAS，底盘，动力系统，制动系统，散热系统，空调系统。模型中不包括：乘员舱内部件。对排气系统，线束，隔热罩，吊耳，进气格栅进行细化，保留数据细节部分。体网格对发动机舱及下车体进行体网格加密。风洞计算域：车前13m车后44m，高6m，宽8m。最终弄生成面网格700万，体网格1800万。模型设置：风洞入口设置为速度入口，出口为压力出口，车两侧及上侧设置为壁面，车底地面设置为壁面，为模拟冷却模块阻力，将冷凝器及散热器单独设置为多孔介质区域；设置风扇区域为旋转坐标系区域，用于模拟风扇旋转。为精确模拟车体下气体流动状态，将车体下地面设置为与风速大小、方向相同的移动速度。物理模型：三维、稳态、空气设置为理想气体。

辐射计算模型中包含面网格64万，对排气系统，线束，隔热罩，吊耳，进行细化保留数据细节部分；模型设置：分别设置模型材料属性，比如塑料零部件、橡胶零部件、铁制零部件、铝零部件的密度导热率、材料厚度、比热、辐射发射率等。边界条件：对排气系统赋予温度值。

在热平衡环境舱中进行热平衡试验，环境温度40℃。分为三个阶段90km/h，高速预跑10min，40km/h，7%坡度，爬坡25min，怠速13min。对风险点布置热电偶，观察过程中是否有零部件超过温度限值而导致零部件失效。

图1 体网格截面

图2 排气系统表面温度

2 稳态仿真分析结果

分别对怠速工况、高速工况、低速爬坡工况进行稳态分析，辐射计算模型计算出零部件表面温度，表面温度作为三维CFD流体分析模型的边界条件，三维CFD流体分析模型计算得出对流换热系数及流体温度，而对流化热系数与流体温度作为辐射计算模型的边界条件，得出计算结果，如下，由于部分边界条件输入不合理，发动机及变速器未作为热源边界条件，以及部分测点位置偏差导致部分测点实验值与仿真值偏差较大。

表1 各工况下仿真测点温度

机舱内零部件仿真值合理，由于机舱内发动机变速器等未作为温度边界条件，导致发动机周边零部件仿真温度值偏低，测点位置偏差导致后消及底盘位置部分零部件测点温度仿真值大于实验值，后续继续验证。

怠速工况，实验值与仿真值相差较大的测点位置：球笼防尘罩前，实验值75℃仿真值63.6℃误差18%；90km/h球笼防尘罩上，实验值68.9℃，仿真值83.8℃，误差18%；主催化器吊耳司机侧，实验值62.4℃，仿真值82.4℃，误差24%；主催化器吊耳副司机侧，实验值71.8℃，仿真值95.3℃，误差25%；后消音器后吊耳，实验值52.3，仿真值74.6，误差30%；后消音器地板上，实验值26.6℃，仿真值69.9℃，误差56%；电瓶正极桩头，实验值42℃，仿真值62.9℃，误差33%。以上位置，实验值与仿真值相差较大，主要是测点位置偏差导致。发电机表面，实验值78.5℃，仿真值63.5℃，误差24%；水箱上水管实验值81.8℃，仿真值66.1℃，误差24%。以上位置误差较大，主要原因是，发动机及变速器未作为温度边界条件。

高速工况，实验值与仿真值相差较大的测点位置：球笼防尘罩上，实验值68.9℃，仿真值83.8℃，误差18%；后消音器地板上，实验值26.3℃，仿真值56.7℃，误差64%；以上位置，实验值与仿真值相差较大，主要是测点位置偏差导致。发电机表面，实验值76.8℃，仿真值61.4℃，误差20%；水箱下水管，实验值75.6℃，仿真值60.7℃，误差20%；水箱上水管，实验值84 ℃，仿真值63.2 ℃ ，误差24%。以上位置误差较大，主要原因是，发动机及变速器未作为温度边界条件。

图3 怠速工况

低速爬坡工况：后消音器后吊耳，实验值79.7℃，仿真值117.7℃，误差32%；后消音器前吊耳，实验值89.4℃，仿真值115℃，误差22%；后消音器地板上，实验值27.2℃，仿真值73℃，误差63%；以上位置，实验值与仿真值相差较大，主要是测点位置偏差导致。发动机下悬置，实验值76℃，仿真值98℃，误差22%；发电机表面，实验值91℃，仿真值80.6℃，误差11%；水箱下水管，实验值92℃，仿真值78.2℃，误差15%；水箱上水管，实验值99.8 ℃ ，仿真值84.6℃ ，误差15%。以上位置误差较大，主要是发动机及变速器，未作为温度边界条件。

怠速实验值测点温度及仿真值测点温度，做成柱状图如图3上图，温差较大的位置：保险盒表面，实验值50℃，仿真值64.8℃，仿真值高于实验值14.8℃。电瓶正极桩头，实验值42℃，仿真值62.9℃，仿真值高于实验值20.9℃。水箱上水管，实验值81.8，仿真值66.1℃，仿真值低于实验值15.7℃。主催化器吊耳司机侧，实验值62.4，仿真值82.4℃，仿真值高于实验值20℃。主催化器吊耳副司机侧，实验值71.8，仿真值95.3℃，仿真值高于实验值23.5℃。后消音器后吊耳，实验值52.3℃，仿真值74.6℃，仿真值高于实验值22.3℃。后消音器地板上，实验值26.6℃，仿真值59.9℃，仿真值高于实验值33.3℃。

图4 高速工况

高速工况，实验值及仿真值测点温度，做成柱状图如图4上图，温差较大位置：球笼防尘罩上，实验值68.9℃，仿真值83.8℃，仿真值高于实验值14.9℃。发电机表面，实验值76.8℃，仿真值61.4℃，仿真值低于实验值15.4℃。水箱下水管，实验值75.6℃，仿真值60.7℃，仿真值低于实验值14.9。水箱上水管，实验值84℃，仿真值63.2℃，仿真值低于实验值20.8℃。后消音器地板上，实验值26.3℃，仿真值56.7℃，仿真值高于实验值30℃。

图5 低速爬坡工况

低速爬坡工况，实验值及仿真值测点温度，做成柱状图如图5上图，温差较大位置：球笼防尘罩上，实验值124℃，仿真值144.8℃，仿真值高于实验值20.5℃。球笼防尘罩后。实验值100℃，仿真值118℃，仿真值高于实验值18℃。发动机下悬置，实验值76℃，仿真值98℃，仿真值高于实验值22℃。水箱下水管，实验值92℃，仿真值78.2℃，仿真值低于实验值13.8℃。水箱上水管，实验值99.8℃，仿真值84.6℃，仿真值低于实验值15.2℃。主催化器吊耳副司机侧实验值124℃，仿真值147.7℃，仿真值高于实验值23.7℃。后消音器后吊耳，实验值79.7℃，仿真值117.7℃，仿真值高于实验值38℃。后消音器前吊耳，实验值89.4，仿真值115℃，仿真值高于仿真值25.6℃。后消音器地板上，实验值27.2℃，仿真值73℃，仿真值高于实验值45.8℃。

部分位置仿真值与实验值相差较大，主要是测点偏差：部分位置实验测点位置与仿真测点位置不对应，如球笼防尘罩，主催化器吊耳等。发动机及变速器为添加温度边界条件，导致发动机周边零部件温度，仿真值低于实验值。后消音器地板上位置的热电偶存在误差。

3 瞬态分析

材料受115℃辐射0.3hours与受100℃辐射1hours，材料热损失相同[3]，低速爬坡工况至怠速工况的过渡阶段，辐射温度往往高于低速爬坡阶段，瞬态分析可以模拟出低速爬坡至怠速过渡区域的辐射温度以及在该辐射温度下的时间。因此进行瞬态分析是很有必要的。

基于稳态分析：90km/h高速工况；40km/h、坡度7%低速爬坡工况；怠速工况，在稳态分析的基础上进行瞬态分析[4]。将稳态工况的对流换热系数作为瞬态分析的边界条件。进行瞬态分析计算。瞬态分析工况如下：

表2 瞬态分析工况

首先高速预跑10min，低速爬坡25min，最后怠速13min。

图6 转向系统

转向机橡胶在低速爬坡阶段升温速率仿真值＞实验值，怠速阶段仿真值低于实验值。转向机表面高速工况仿真值＞实验值，低速爬坡阶段仿真值升温速率＞实验值，低速爬坡之怠速过渡阶段仿真值低于实验值。

图7 球笼防尘罩

球笼防尘罩前低速爬坡工况仿真值＞实验值，怠速工况仿真值＞实验值。球笼防尘罩上仿真值均高于实验值。

图8 球笼防尘罩、保险盒

球笼防尘罩后高速阶段仿真值＜实验值，高速阶段至低速爬坡阶段过渡区域仿真生温度率＜实验值，低速爬坡至怠速阶段过渡区域仿真值＞实验值。保险盒仿真值＜实验值。

图9 电池、预催地板

电池负极仿真值＞实验值。催化器地板上仿真值＜实验值。

图10 主催化器吊耳

主催化器吊耳司机侧低速爬坡阶段仿真值＞实验值，怠速阶段仿真值＞实验值。主催化器吊耳副司机侧仿真值＜实验值，高速工况至怠速工况过渡区域升温速率仿真值＞实验值。

图11 后消音器吊耳

后消音器前吊耳高速阶段仿真值＜实验值，高速至低速爬坡过渡区域仿真值升温速率＞实验值，怠速阶段仿真值〈实验值。后消音器后吊耳仿真值＜实验值。

瞬态分析结果基本吻合，温度趋势基本一致，但由于瞬态仿真影响因素较多，加之部分位置由于仿真测点位置与实验测点位置偏差，发动机及变速器未给温度边界条件，导致部分数据差值较大。

4 结论

稳态分析工况仿真分析结果与实验值基本吻合，部分由于测点位置偏差以及发动机及变速器等未添加热源边界条件，误差较大。

瞬态分析工况，基本满足瞬态分析趋势，部分测点能够反应出低速爬坡到怠速的高温阶段。由于瞬态影响因素较多，部分位置由于测点位置偏差，发动机未给温度边界条件，导致部分测点误差较大。