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三维仿真       

SUV发动机舱热管理一维/三维联合仿真与改进

随着人们对汽车的动力性、经济性、舒适性和外形的要求不断提高,设计师更倾向于设计流线型、低车身的车型,这导致发动机舱内的空间逐渐减小。增压+缸内喷、分层燃烧、双离合变速器(dual clutch transmission,DCT)等众多汽车新技术的应用,促使机舱内附件增多且产生较大的工作热量[1],从而易形成过热的发动机舱环境,因此在设计阶段保证发动机舱具有良好的热性能十分必要。

在车辆开发阶段,比起试验方法,仿真手段具有节约成本、周期短等优势,因而得到了广泛的应用。目前应用较为普遍的发动机舱热管理仿真软件有一维和三维两种。一维仿真研究方面,同济大学利用KULI软件建立了某载重车热管理系统模型,研究不同风扇对整车热管理系统的影响,降低了冷却系统的功率消耗[2];华中科技大学利用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,指出该冷却系统存在的问题,并提出相应的改进方案[3]。三维仿真研究方面,东南汽车公司利用STAR-CCM+软件对某车进行冷却热害分析,并通过加装导流板的方式进行改进[4];上汽集团利用FLUENT软件评估了某轿车冷却系统,并将仿真结果与试验数据进行对比,研究结果表明,仿真计算结果与试验结果吻合度较好[5]

通过深入研究发现:一维计算精度不高,无法获取相关细节;三维仿真设定复杂,耗时长,边界条件难以获取。因此,一维/三维联合仿真分析逐渐成为热管理仿真分析的研究重点[6]。梁小波等[7]分别采用一维、三维和一维/三维联合仿真工具分析了某款新轿车的冷却系统性能,结果表明,一维/三维联合仿真在汽车热管理中具有更高的精度;郭健忠等[8]利用一维/三维联合仿真分析了商用车额定工况下发动机出水温度偏高的问题,结果表明,联合仿真工具可提高发动机热管理的分析效率。LU等[9]通过分析热机参数和工作负荷对发动机舱内换热过程的影响,实现了发动机冷却回路和空调回路的性能评估。

本文采用一维/三维联合仿真方法对某款SUV进行发动机舱热管理分析,全面地评估发动机舱散热性能,在发动机出水温度不满足要求时提出优化方案来进行结构设计,并在样车阶段通过试验验证优化方案的有效性和仿真的可靠性。

1 模型的建立 1.1 三维仿真数值模型的建立

汽车车速一般远低于声速,马赫数较小,汽车空气动力学属于低速空气动力学范畴,因此汽车周围流场可视为三维不可压缩黏性等温流场[10]。由于汽车发动机舱内构造复杂,容易引起气流分离,故流场计算按湍流处理。

在建立计算域时,为减小模拟风洞中的阻塞效应、洞壁干扰和雷诺数效应等约束条件对仿真精度的影响,计算域设置为车前3倍车长,车后7倍车长,5倍车高,两侧各3倍车宽,如图1所示。

图1 汽车风洞模型
Fig.1 Model of automotive wind tunnel

该车模型在大型流体力学软件STAR-CCM+中划分网格并求解,计算体网格采用Trimmer网格,近车体及流动变化剧烈区域进行网格加密以提高计算精度,远车体等计算影响较小的区域采用较大网格以节省计算资源。为更好地捕捉车体表面及内部的流动情况,车体表面及发动机舱内部采用4层增长率为1.3、总厚度为8 mm的边界层,为考虑地面效应,地面采用12层增长率为1.3、总厚度为50 mm的边界层,最终生成的体网格数量达到4 043万,在纵剖面(Y=0)处的模型发动机舱体网格如图2所示。计算域入口边界条件设置为速度入口,出口边界条件设置为压力出口,计算域入口至车前2 m地面边界条件设置为滑移壁面,其他壁面设置为非滑移壁面。

(a)整车体网格剖面图 (b)发动机舱体网格剖面图
图2 机舱体网格纵剖面图(Y=0)
Fig.2 Sectional view of engine compartment’s volume mesh(Y=0)

1.2 热交换器模型的建立

汽车热交换器(油冷器、中冷器、散热器、冷凝器)在工程上一般采用多孔介质模型来模拟,热交换器的流动阻力通过源项的方式添加到动量方程中,源项的系数可由下式确定:

(1)



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