轻型卡车动力舱冷却模块CFD 性能仿真研究

于翰林

（201315 上海市 潍柴动力上海研发中心）

0 引言

为了不影响整车行驶性能，各大主机厂均进行发动机舱热管理分析，防止舱内散热情况恶化[1]。用传统试验方法检验发动机舱热管理问题，不仅周期长、对人力和财力消耗较大，且过多依赖操作人员的工程经验，存在重复操作、效率低等问题。借助虚拟发动机舱热管理仿真分析，可以快速发现问题的根源，高效解决发动机舱热管理问题，大幅缩短研发周期和减少试验费用[2]。

轻型卡车机舱的热管理主要是研究发动机舱冷却系统的热量交换及温度控制，满足机舱内关键零部件的安全性与可靠性，并优化车辆的燃油经济性及排放性能[3]。

1 数学模型

本文考虑轻型卡车各工况长时间行驶，处于稳定状态，因此采用稳态分析方法，连续方程、动量方程及能量方程均与时间无关[4]。

连续方程：

动量方程：

能量方程：

式（2）中，μi的i取1、2、3 分别代表x、y、z三个方向；z方向因重力原因S1、S2为0，S3=ρg。气体温度影响密度变化，故采用理想气体，气体状态方程[5]为

式中：P——压力；Rg——气体常数，0.287 J/(kg·K)。

2 计算模型

2.1 几何模型

对轻型卡车三维几何特征进行前处理，提取驾驶室、发动机、底盘、排气、冷却等系统表面特征，进行几何处理和面网格划分[6]。要求模型能完整表达各子系统表面细节特征，尤其细化冷却模块、后视镜、进气格栅、导流罩等对流体及热影响较大的部件特征。然后将处理后的模型导入流体软件，依据整车长宽高规格匹配适合的长方体数值风洞空间[7]。采用流体软件中多面体单元对整车模型进行域网格划分，散热芯体视为多孔介质，设定阻尼，设定与空气的热交换性能，其他部分视为流体域，模型总网格数为2 685 万个。热管理分析模型如图1 所示，冷却模块关键部件几何参数如表1 所示。

表1 轻型卡车冷却模块关键部件几何参数表Tab.1 Geometric parameters of key components of light truck cooling module

图1 轻型卡车整车热管理分析模型Fig.1 Thermal management analysis model of light truck

2.2 边界条件

模型边界条件路面设置为开放路面，进口边界设置风速入口，出口边界为标准大气压，模拟风洞的左右侧及顶面为滑移壁面，设置行车速度为参数值的移动地面，地面布局区域设定摩擦性能，轻型卡车轮胎为旋转轮胎[8]。

冷却模块的散热器、中冷器、冷凝器为多孔介质，设定阻尼，阻尼计算公式为

式中：ΔP——风阻；ΔL——厚度；v——风速；Pi——惯性阻力系数；Pv——粘性阻力系数[9]。

2.3 工况参数

计算轻型卡车额定功率工况、大扭矩工况下散热器进出水温度及中冷器热侧进出气温度，若满足性能要求，则冷却系统的散热性能满足要求。各工况输入参数如表2 所示，其中，冷却液为50%乙二醇溶液。

表2 轻型卡车各工况输入参数表Tab.2 Input parameters of light truck under various working conditions

3 计算分析

轻型卡车发动机冷却系统温度目标值：上水室进水温度≤105 ℃，中冷后温度≤72 ℃，中冷温升≤30 ℃[10]。计算额定功率、大扭矩工况下散热器进出水温度、中冷热测进出气温度及中冷温升等数据，结果如表3 所示。

表3 轻型卡车各工况计算结果Tab.3 Calculation results of light truck under various working conditions

3.1 额定功率工况分析

额定功率工况条件下，车速为17.2 km/h，冷却模块进气主要靠风扇吸风。冷凝器四周存在热回流，高温出风气流又绕回到了冷凝器前端，导致进气温度较高，冷凝器高温出风吹向中冷器。冷却模块两侧存在热回流，散热器高温出风气流从冷却模块与车架之间的间隙回到冷却模块前端。散热器周围增加了密封海绵，散热器上下两端无明显热回流。由于风扇与护风圈之间的间距较大，在护风圈的边缘位置会有散热器的出风气流从散热器背面流向正面。机舱区域Y=0 mm、Z=200 mm 处截面的流场及温度场状态如图2、图3 所示。

图2 机舱区域Y=0 mm 截面速度云图Fig.2 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

图3 机舱区域Z=200 mm 截面温度云图Fig.3 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器进风面速度和温度分布云图如图4 所示，其中九宫格温度测量位置距入口面0.5 mm，从图4 可以看出，冷凝器上下端风速较小、温度较高，是因为冷凝器的护风圈没有完全覆盖冷凝器，导致其上下端有明显热回流，高温出风气流又回流到了冷凝器前端。

图4 冷凝器进风面速度、温度云图Fig.4 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

中冷器入口面速度和温度分布云图如图5 所示，由于冷凝器高温出风气流吹向中冷器和中冷器两侧存在热回流，中冷器入口面右上方进风温度较高。

图5 中冷器进风面速度、温度云图Fig.5 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

散热器入口面速度和温度分布云图如图6 所示。受中冷器热侧高温气流流向的影响，中冷器出口面的气流温度右侧较高，因此在中冷器后方的散热器入口气流右侧温度较高。

图6 散热器进风面速度及温度云图Fig.6 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

3.2 大扭矩工况分析

大扭矩工况条件下车速为8.6 km/h，冷却模块进气主要靠风扇吸风。由于散热器周围增加了密封海绵，散热器上下两端没有明显热回流。风扇与护风圈之间的间距较大，在护风圈边缘位置会有散热器的出风气流从散热器背面流向正面。机舱区域Y=0 mm、Z=200 mm 处截面的流场及温度场状态如图7、图8 所示。

图7 机舱区域Y=0 mm 截面速度云图Fig.7 Cloud image of Y=0 mm section velocity in engine room area

图8 机舱区域Z=200 mm 截面温度云图Fig.8 Temperature nephogram of Z=200 mm section in engine room area

冷凝器进风面速度、温度云图如图9 所示，其中九宫格温度测量位置距入口面0.5 mm。从图9可以看出，冷凝器上下端风速较小、温度较高，是因为冷凝器的护风圈没有完全覆盖冷凝器，使得冷凝器上下端出现了明显的热回流。

图9 冷凝器进风面速度、温度云图Fig.9 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

受中冷器热侧高温气流流向的影响，中冷器出口面的气流温度较右侧高，因此在中冷器后方的散热器入口气流右侧温度较高。中冷器入口面速度和温度分布云图如图10 所示。

图10 中冷器进风面速度、温度云图Fig.10 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

由于机械风扇位置较高，散热器上端进风速度比下端快，受中冷器热侧高温气流流向影响，散热器入口面右侧温度较高。散热器入口面速度和温度分布云图如图11 所示。

图11 散热器进风面速度及温度云图Fig.11 Cloud image of air inlet velocity and temperature of radiator

综上，额定功率工况的散热器上水室温度和中冷后温度均低于限值，满足目标要求；大扭矩工况的中冷后温度低于限值，但散热器上水室温度超出限值，不满足目标要求。

4 优化方案

（1）拉伸冷凝器风扇护风圈，即加高冷凝器护风圈，使护风圈能够完全覆盖冷凝器，以减少冷凝器上下端热回流；

（2）在冷凝器与中冷器之间增加挡板，即在车架上增加挡板，同时增加冷凝器上方护板，以减小冷凝器高温出风气流直接流向中冷器；

（3）在冷却模块与车架之间即在中冷器两侧增加密封海绵，以减少中冷器两侧热回流；

（4）更换高效率风扇，即减小风扇与护风圈之间的间隙，降低到10 mm 以下，以提高风扇吸风性能，风扇速比调至1.21，提升风扇转速，或者更换吸风能力更强的风扇，以提升散热器进风量。

5 优化计算

经过优化计算，额定功率工况、大扭矩工况散热器上水室温度和中冷后温度均低于限值，满足项目目标要求，各工况计算结果如表4 所示。

表4 轻型卡车各工况计算结果Tab.4 Calculation results of light truck under various working conditions

额定功率工况中，拉伸了冷凝器风扇护风圈，上下两端的进风速度提高，入口面温度有所下降，中冷器进气速度有所提高，进气温度有所下降。冷凝器、中冷器的进风面速度、温度如图12、图13所示。

图12 冷凝器进风面速度、温度云图Fig.12 Cloud image of inlet speed and temperature of condenser

图13 中冷器进风面速度、温度云图Fig.13 Cloud chart of air inlet speed and temperature of intercooler

大扭矩工况中，在冷凝器与中冷器之间增加挡板，增加散热器两侧与车架之间的密封海绵，较之优化前模型减少了冷却模块两侧的热回流，散热器进气温度也降低，如图14 所示。

更换高效率风扇后，吸风能力增加，散热器前端热回流有所减少，中冷器进风温度明显降低；增加散热器与车架之间的密封海绵，冷却芯体进风温度有所降低。如图15 所示。

图15 冷却芯体进风温度云图Fig.15 Cloud picture of inlet air temperature of cooling core

6 结论

基于整车模型及流体热力学理论建立发动机舱冷却系统仿真模型，分别设置边界条件，计算得到额定功率、大扭矩工况下的冷却芯体热侧及冷侧进出口速度、温度。进行结构改进后再次计算，各项指标符合评价标准，冷却系统的散热性能大大提升，为发动机冷却系统集成匹配优化开发提供技术支持，可大大减少试验频次，节省成本，缩短开发周期。