SUV发动机舱的温度场和热流场仿真模型及其改进方案

蔡祥鹏，童俊炜

(泉州师范学院 航海学院，福建 泉州 362000)

随着人们对车辆各项性能要求的提高，半封闭空间的发动机舱集成了更多的系统和元件，结构的紧凑布置使舱内空间减少，对发动机舱热平衡带来更大的挑战[1-2]。传统汽车机舱热管理系统开发通常采用经验设计、样车验证的方法，需要多次设计修改和反复试验验证才能最终完成开发。产品设计前期采用仿真计算方法进行车辆热管理的风险评估，能减少产品设计周期和成本，因此得到主要生产厂家和研究机构的广泛使用[3]。热管理仿真计算软件目前主要有一维温度仿真和三维流体仿真2种。上海理工大学利用三维CFD软件对某车辆发动机机舱冷却系统进行仿真,设计方案仿真结果与实验结果相吻合[4]；东南汽车公司利用STAR-CCM+软件对某车进行冷却热害分析，并为车辆加装导流板[5]。在一维仿真研究方面，成晓北等[6]采用Flowmaster软件对某柴油机的冷却系统循环、热平衡状态和冷却系统匹配进行仿真，并通过与台架试验结果对比进行方案优化。目前，发动机舱热管理逐渐采用一维和三维联合仿真分析，这种方法解决了一维仿真的计算精度差和细节获取困难问题，同时还对三维仿真的参数设定、计算耗时和边界条件获取等问题的解决有所帮助[2]。唐友名等[3]对发动机舱热管理进行一维/三维联合仿真，通过改进防撞梁提高进风量，降低严苛工况下发动机出水温度；邱飒蔚等[7]对某SUV的空-空中冷器进行内部流动换热研究，分别进行一维仿真、三维仿真、一维和三维联合仿真，并比较3种仿真结果与试验的相对误差，验证了中冷器双流模型仿真的可行性。

本文用三维流体和一维温度的联合仿真方法对某SUV发动机舱进行冷却热害分析，通过三维模型计算出中冷器、水箱(即散热器)空气侧(其中包括迎风面和背风面)的压力、风量(或流速)，同其他设定参数一起作为一维仿真的边界条件，对一维温度进行仿真；若一维仿真分析输出的发动机进出水温度和进气温度不符合要求，则改进中冷器和散热器的进风量数值加以试错，反复重复上述过程，直至达到要求为止。重点分析车辆在高速爬坡和中低速爬坡严苛工况下的冷却能力，对存在的设计风险提出改进方案，计算和分析发动机的进气温度和水温，以减少试验次数和费用，缩短发动机舱冷却系统开发周期。

1 机舱热管理三维仿真分析

1.1 三维仿真模型搭建

STAR-CCM+软件采用先进的连续介质力学数值计算技术，是进行三维热流体CFD仿真分析的有力工具。该软件不仅可以对三维空间空气等各种流体介质流动进行分析，还可以对结构和其他物理场进行分析。本文应用STAR-CCM+软件建立发动机舱三维热管理仿真模型，对发动机舱内部的散热情况进行系统性的模拟分析和评估。由于建模中所有影响气流分布和走向的部件都必须保留，因此需要搭建整车模型，其中包括车身外表面、底盘系统、发动机舱、进气格栅、冷却模块、机舱内部元件等。在满足工程精度条件下，可以适当忽略机舱内部的一些小元件(如直径细小的管路线束、螺母等)的影响。

仿真中体网格采用Trimmer(切割体)网格，对风场流动变化影响较大的区域进行加密网络划分，如图1所示。选择足够大的计算域尺寸，可以保证气流平稳、减少对发动机舱内流场的影响、保证仿真结果的准确度。设定风洞区域长17 m、宽10 m、高5 m，如图2所示。为了更好地捕捉机舱内部实际气流运动，对机舱内部区域和拉伸边界层网格进行加密处理(见图3)。采用2层增长率为1.3、厚度为2 mm的边界层；同时，考虑地面效应，地面采用12层增长率为1.3、总厚度为50 mm的边界层，最终生成的网格数量达2 800万个。

1.2 边界条件及工况设定

1.2.1 气体流场模型

由于发动机舱内部气流流速不高且密度变化小，计算域中的流体可视为黏性定常不可压缩流体。因汽车发动机舱复杂构造易引起气流分离，故选用Realizable K-ε模型来模拟汽车外流情况，以适应于边界层及剪切流流动[1,8]。K-ε模型广泛应用于工业上的湍流运动分析，湍流运动需满足下列3个流动和传热的基本方程。

1)质量守恒方程：

(1)

其中：ρ为空气密度，值为1.184 kg/m3；ui为空气速度在i方向上的分量。

2)动量守恒方程：

(2)

其中：uj为空气速度在j方向上的分量；p为空气静压力；σij为应力矢量；gi为在i方向上的重力分量；Si为在3个方向上动量守恒方程的广义源项。

3)能量守恒方程：

(3)

其中：T为空气温度；k为分子传导率；ki为因湍流传递而引起的传导率；Sh为定义的体积元。

1.2.2 散热模型

汽车换热器冷却模块包含散热器、冷凝器、风扇和中冷器。为了简化计算和节约成本，用MRF方法对独立风扇区域进行模拟，采用多孔介质模型简化处理方法来设定换热器冷却模块各零部件的阻力系统[9-10]。冷却系统布置如图4所示。

1.2.3 工况设定

仿真过程采用真实的试验条件，环境温度为40 ℃，动力黏性系数为1.789×10-5Pa·s。仿真风洞入口采用速度入口边界，计算域出口采用压力出口(表压为0 Pa)，入口边界参数的湍流强度定为1%，空调全开，湍流耗散比为10。选取整车热平衡试验中较为严苛的中低速爬坡和高速爬坡工况，具体参数如表1所示。

表1 仿真工况参数设定

1.3 三维仿真结果分析

根据工况设定，运用STAR-CCM+软件划分网格、调整相关数值进行仿真计算，得到爬坡工况下的机舱内部流场图(Y向截面和Z向截面)如图5所示。由图5和表2可以看出：在中低速工况下，冷凝器进风速度分布不均匀，冷凝器下方(图5a)和冷凝器左右两边(图5b)都出现气流泄漏现象，这导致后边缘侧气流滚动不良，且会产生热回流；散热器的风速分布不均匀，其边缘处有风速死区；中冷器两侧存在气流泄漏问题(图5b)，进入机舱的气流通过其左侧(图示方向)后回到冷却模块前方，减少了进风量。从仿真结果导出的冷却模块的进风量(见表2)可知，在两种工况下，中冷器进风量都偏小，进而降低了冷却性能和换热效率。

表2 冷却模块进风量仿真结果与标准值 单位：kg/s

2 冷却系统一维仿真分析

2.1 一维仿真模型搭建和联合计算

KULI软件是一款一维热管理设计和仿真软件，它通过建模集成零部件单品测试数据和台架测试数据，实现快速计算并调整参数，用来评估不同空间布置方案的优劣性和系统零部件性能的匹配度。采用KULI软件建立的机舱冷却系统一维仿真模型如图6所示。利用该模型可进行冷却系统的整体布置以及热负荷计算：用三维流体仿真获得机舱冷却模块的进风量、流速和空气侧温度，作为一维温度仿真的输入参数，并被代入一维仿真模型中进行联合计算求解；从发动机基础台架热平衡试验数据中，寻找对应的实验数据，换算得到一维仿真所需工况参数(见表3)。一维冷却系统模型主要包括空气侧和内部循环侧(见图4):空气侧为外侧空气在冷却系统间的流通过程；内部循环侧是以冷却水的内循环、中冷器内循环和空调循环构成，主要为换热器内部高温流体的流动循环过程。

表3 一维仿真输入主要工况参数

2.2 一维仿真结果

用一维温度仿真进行计算和求解，得到发动机机舱运行时的冷却系统热平衡状态的评价参数(发动机进气温度和进出水温度)，如表4所示。从表4可知：在中低速爬坡工况中，发动机出水温度超出110 ℃的许用范围；而在高速爬坡工况中，发动机的出水温度和进气温度均超出许用范围(进气许用温度为55 ℃)，不满足冷却系统设计要求。

表4 发动机进气、进出水温度一维仿真结果 单位：℃

3 仿真与改进

因为一维仿真的发动机进气温度或水温中的某个结果超标，所以需不断改进中冷器和散热器的进风量数值并试错，最终使得发动机水温和进气温达到要求，再将得到的冷却系统侧最低进风量数值作为三维仿真的目标[11]。当三维仿真结果满足最低进风量要求后，再次代入一维模型中进行校核验证，最终以一维仿真输出的发动机进出水温度和进气温度作为考核目标，如此进行三维流体和一维温度联合仿真计算。

3.1 方案改进

综合前文的三维和一维仿真分析，从三维流体的机舱内部气流运动流线图和一维温度场结果来看，目前的机舱冷却系统性能存在设计风险，需要从发动机出水温度和进气温度过高着手，结合机舱内总成布置进行相应改进。

1)针对机舱前端气流泄漏问题，在冷凝器与散热器之间增加密封条以堵住漏风，同时在中冷器四周增加导风板以提高冷却效率，如图7所示。

如图8所示，改进后的机舱内部冷却模块的回流情况大为改善；由表5可知，两种工况下各元件的进风量也有所增加。改进前后的各元件的平均风速值对比见表6，其中平均风速数值表明改进方案能使冷却性能显著提升。

表5 改进后各元件的进风量 单位：kg/s

表6 各元件平均风速 单位：m/s

2)针对中冷器进风量偏小问题进行改进。中冷器的作用是降低发动机的进气温度，为了提高进风量，将中冷器芯体厚度由原来的65 mm增加到82 mm，中冷器换热效率显著提升，其仿真后的换热曲面见图9。

3.2 迭代和验证

更新中冷器冷和热两侧空气的流动特性、热特性参数后，代入改进方案后的冷却模块中计算进风量，重新进行一维仿真分析，得到2种工况下的进气温度和进出水温度，如表7所示。表7中的结果显示，经过以上2个方案改进后，机舱冷却系统性能满足设计要求。

表7 改进后发动机进气、进出水温度的一维仿真结果 单位：℃

在后继工装样车阶段，在环境风洞实验室进行整车热平衡试验，全面测试验证整车冷却、热害水准。对2种严苛工况下的发动机进气、进出水温度等参数进行数据采集和对标，验证了三维流体和一维温度联合仿真的可靠性。

4 结语

本文利用STAR CCM+仿真软件进行三维流体计算，模拟发动机舱内部空气流动状况，同时获取冷却模块的空气侧风量、压力等数据作为一维温度仿真的输入参数。利用KULI仿真软件获取冷却模块的表面温度，通过三维热流场计算，对机舱内部冷却系统存在的设计风险进行改进，最终使发动机进气、进出水温度的计算结果符合一维辐射温度场情况，满足设计要求；与整车热平衡试验结果进行比较，验证了改进方案的有效性、一维和三维联合仿真分析的置信度。