原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。 對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：靼日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的印刷件和電子 版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或 部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保 存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：墩導(dǎo)師簽名：盟日期：竺c 2 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘要i a b s t r a c t 第l 章緒論1 1 1 選題背景1 1 2 熱管理的概念及研究內(nèi)容2 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。3 1 4 本文主要內(nèi)容。6 第2 章流動和傳熱基本理論。7 2 1 流動和傳熱的基本方程組。7 2 1 1 連續(xù)性方程7 2 1 2 動量守恒方程7 2 1 - 3 能量守恒方程。8 2 2 雷諾時均方程9 2 3 湍流模型及其應(yīng)用對策1 0 2 4 數(shù)值計算方法1 1 2 4 1 流動和傳熱問題控制方程的通用形式1 1 2 4 2 離散方法1 l 2 4 3 離散格式1 2 2 5 數(shù)值計算的總體流程。l2 第3 章熱管理仿真模型的搭建1 3 3 1 一維模型的搭建1 3 3 1 1 換熱器13 3 1 2 水泵1 6 3 1 3 風(fēng)扇l9 3 1 4 發(fā)動機2 0 3 1 5 節(jié)溫器2l 3 1 6 空氣側(cè)準(zhǔn)三維模擬2 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 三維模型的搭建2 3 3 2 1 散熱器2 3 3 2 2 風(fēng)扇2 5 3 2 3 發(fā)動機2 5 3 2 4 車身及底盤2 5 3 2 5 流場區(qū)域的劃分2 6 3 2 6 邊界條件2 6 第4 章仿真計算結(jié)果j 2 9 4 1 一維計算結(jié)果2 9 4 1 1 中冷器計算的結(jié)果2 9 4 1 2 發(fā)動機散熱器計算的結(jié)果3 0 4 1 3 控制器、電機散熱器3 1 4 1 4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、功率、流量3 2 4 1 5 與e x c e l 的聯(lián)合計算3 3 4 2 三維計算結(jié)果3 6 4 2 1 混合動力公交車的流場和溫度場模擬結(jié)果3 6 4 2 2 混合動力公交車高速行駛時的氣阻分布情況。4 1 4 2 3 對發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)的改進4 2 4 2 4 車速對冷卻模塊進氣的影響研究：4 5 4 2 5 一、三維耦合計算深入研究4 7 總結(jié)與展望5 3 參考文獻5 5 致j 射5 9 攻讀碩士期間發(fā)表的論文6 l 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 一- 1 車輛熱管理是在能源危機出現(xiàn)、汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)格以及人們對汽車舒適 性要求提高的大背景下提出的，也日益成為汽車節(jié)能減排、延長使用壽命、保證 關(guān)鍵部件運行安全和汽車行駛安全的重要措施。本文以國家科技支撐計劃“商用 車用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)開發(fā) 項目及校企合作項目“商用車及混合動力公交車 動力總成系統(tǒng)的冷卻及熱管理計算分析 為依托，通過一維、三維耦合計算的方 式研究在環(huán)境溫度3 8 ，車輛低檔位( i i 擋) 、全油門長時間處于最大扭矩或最 大功率工況時熱管理系統(tǒng)的工作情況。 一維計算可確定主要散熱部件的幾何尺寸、布置方式，并為三維計算提供相 關(guān)的邊界條件。三維計算可獲得整車的流場及溫度分布，驗證熱管理系統(tǒng)各部件 的流動、傳熱過程是否合理，e c u 等關(guān)鍵部件的溫度是否滿足設(shè)計要求，同時 為一維計算提供實驗難以獲得的邊界條件。原車發(fā)動機艙由于結(jié)構(gòu)不合理，在散 熱器入口處存在熱空氣回流，產(chǎn)生高溫區(qū)域，改進結(jié)構(gòu)后溫度降低，滿足要求。 通過研究車速對車輛后端進氣的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)扇工作時，車速對后端冷卻模塊k 進風(fēng)量影響很小。 針對單獨進行一維或三維計算存在的不足提出了相應(yīng)的改進方法。將三維訊 算得到的流場壓力、速度分布轉(zhuǎn)化為阻力系數(shù)矩陣，以自定義曲面的方式賦給一 維計算，模擬進口結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇對流動的影響；將一維計算的結(jié)果使用u d f 定義 為多孔介質(zhì)變體積熱源，模擬熱側(cè)流體進出口溫差對換熱的影響。通過一、三維 的耦合計算提高車輛熱管理仿真計算的精度，使仿真結(jié)果更加接近實際情況，為 熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考和指導(dǎo)。 關(guān)鍵詞：發(fā)動機艙；熱管理：c f d ；溫度場；耦合 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 、毛h b l et i l e f m a lm a m 薩m e mw 嬲p l d p o db e c a i 毯淪o f e r 誓i r g yc r 墨i s ，i r i c r e 勰i n g l y s t r i i l g c me r i l i s s i 0 璐她g u l a t i c i 璐a i d 似l u i r c 鵬n 協(xié)屯0i r n p r d v et ka u t o m o t i v ec o m 南吒 t h cw o 出糟l i e so nt l l en a t i o m is c i c n a n d 融h 1 0 9 ys 印p o r tp m g r a 瑪 “d e v c b p n 圮i 吐o f c o n 曲e r c i a l h i c kp a m n e lh y b r i ds y s t e m ，a n ds c h o o i - e n t e i p r i s e c o o p e m t i o np m j e c 協(xié)a 】c u l a t i o na n dm r 撇lm a n a 寥鵬n ta m l y s 瓷o f c o m m c r c i a l k sa n d 坶b 謝c 魄b 懈p o w e 脅缸 h lt h 瓷p a p e et h ep e r f 0 加唿n o ft h c r m lm a 豫g e m e ms y s t c mi ss t u d i e db y 1 n 3 dc o 印l i l l gc a 】c u l a t i o nj 1 1a na 曲i e l 吐t e 印e m t 啪o f3 8o c ，婦nt h ev e h i c l e w o d 【sa tt h cm a x h u m p o w c r o rr 眥x h u mt o r q mc o l l d i t b n si i l1 0 wm n g c ( b b c i k ) a n d 伽岫噸白rab n g 缸 t h co - d i i l l e 璐i d m lc a l c u h t i o ni s 嘴d 幻d 咖r i i l i t h eg e o n 鷺仃ya 耐 黝n 薩m e mm o d e0 f t h e 瓶i i lc o o h n gc 0m 】p 0 r 吐sa n dp r ；0 v i c l et h e l e 、a n tb 0 硼d a r y c o n d i t b n s 白rt h e3 dc a k u l a t i o i l1 1 l e3 dc a l c u h t b nc o u l dg e tt h ee n g i c o n p a i t i 鵬i 吐鋤職r a t w ed i s t r 如u t b na n dt i l cn o wf i e ho ft h ev e h i c b ；e 璐u 他t h e n o wa n dt h el l e a t 缸璐向p m c e s so ft h ct h c r m a lf m m g e i m n t 夥喲mi s 嬲o m b l e ； e 璐u t l l et e r 叩e r a t u 塢o ft h ee c u 甜l c lo t h c rk c yc 0 腳p o n e i 吐sm tt h ed e s i g n 磚q u 沁m e i 吐s t h 一d i m e 璐i d m lc a k u l a t i 0 璐c o u l dp m v 疊i et h eb 0 硼d a 巧c o n d i t i 0 偽 w h 記h 瓷d i 伍e u l tt 0o b t a i l l 南ro r 圮d i r 豫n s i c i m lc a k u l a t i o nd u et ot h ei m t i o m l s t r m t u 陀o f t h eo r i g i 觸lv e h i c f se n g i c o n p a r r t 船鴝t h e 陀i sh o ta i r f l o w 增s u n i n g i i lh i g k t e r i l 】p c m t i 啪托g(shù) i o na tt h ee n t m n o ft h er a d i 咖lt h ci r n p m v c ds 心t l s 他d u c et h et e m p e m t l 弓a r dm a l i tm e 酏t h e q u i 他m e l l t s 、毛h i c bs p dh a sl i t t k e 矗b c to n t h ew m m e b k - e 耐c o o l i r 唔r d i l l ew l nt l l e 缸憊w o d ( 矗1 9 t h cm e t h o do f 硫p i d v i i l gt h es h o r t i l l go fs 印a 刪眙o d h n s b 豫lc a l c u l a t i o 璐 o r3 d j c u j a t j o 璐i ss t u d b di i lt h i sp a p e l1 1 l ei 1 1 n u e l l c eo fi n l p o ns t r t u 陀a n d 伍n c 髓b es i l i l u l 刪b yt u r n i l l gt t l e3 d l c u h t i c i n 他s u l to fp 他s s u 陀a n dv c b c 蚵 d i 啦i b l l t i o ni r 喲t h e 旭s i s t a i mm a t r 玩t h em f l 鵬n o fi r n p o r ta n de x p o n s 鈀腳p e r a t i 弓d i f f b 陀聯(lián)冶o nk ：a t 蛔璐f 打c a nb es 證m l a 屯e db yd e 6 n i i l gv a r i a b l cv o l 吣 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 i l e a t 峨o fp o l o 岱m e d i at u 曲u d f t l l ec o 印l i i l g 蝕l c u l a 主i o nc a ni i 印m v et h c 黜yo ft h ev e h i c l et h e m h ln h n a 伊珊n ts i i i i u l a t i 0 i i ；m a k ct h es i r n u l a t i d n 聆s u l t s c b s e r 蕾0t h e t m ls i t 哦i o 瑪w h i c hw i l lp v i d ea 陀危崩讎a 1 1 dg u i d a n c e 航t h e d e s 珈o f 婦讎啪in 船猩鵬m 啪m l ( e yw o r d s ：b 咖c a b 她t h c 姍li r 啪伊腿m ；c f d ；t e 呷e m 嘶位l d ；c o 叩噸 i v 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 選題背景 第l 章緒論 根據(jù)2 0 1 0 年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告顯示，中國在油氣方面的對外依 存度逐年上升，2 0 1 0 年全年石油凈進口量2 5 3 億噸，石油對外依存度升至5 5 ， 原油凈進口量2 3 7 億噸，原油對外依存度達5 4 0 ，據(jù)統(tǒng)計，2 0 0 9 年我國車用 石油消耗已經(jīng)占到石油總消耗的三分之一【1 1 。雖然替代燃料和電動汽車等正在中 國加快發(fā)展，但受技術(shù)、經(jīng)濟性等制約，預(yù)計到2 0 2 0 年才能進入規(guī)?；l(fā)展時 期【2 j ，隨著全球能源危機愈演愈烈，汽車燃油經(jīng)濟性的問題開始受到更廣泛和深 入的關(guān)注。 根據(jù)2 0 1 1 年 2 3 0 0 時采用g l 也l i 璐k i 公式計算，即 批= 器舞鷸) 妒 c r ( 3 6 ) l + 1 2 7 廠8 ( p 壙一1 ) il ，i 式中廠為管內(nèi)湍流流動的d a r c y 阻力系數(shù)，由弗羅年柯( f i l o m r 岫) 公式知 廠= ( 1 8 2 培脅1 “) 嵋 ( 3 7 ) 對液體 ，一 鏟n 0 1 ，鼉一o 5 鋤8 ，對氣體q 俐4 5 ，爭5 乩59 ，熱流體通過壁面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量g = ( 朋) 廠( 1 一口一) z( 3 1 0 )式中肚黯p 隅 一l( 3 1 1 )對于傳熱過程的模擬，軟件可以采用指定換熱量，指定冷熱流體的溫差，指定換熱效率與流量的曲面，指定換熱效率、傳熱單元數(shù)( n t u ) 與流量的曲面及指定n u 數(shù)與數(shù)曲面等方式。推薦采用指定n u 數(shù)與r e 數(shù)曲面的方法，該方法將所有的參數(shù)都量綱一化，換熱性能不受幾何參數(shù)和流動參數(shù)的影響。圖3 3為擬合后的換熱曲面及轉(zhuǎn)變?yōu)閚 伽r e 后的曲面。( a ) 試驗數(shù)據(jù)( b ) i b n u 曲面圖3 3 散熱器換熱性能擬合曲面3 1 2 水泵強制循環(huán)式冷卻系普遍采用離心式水泵，因其具有尺寸小，出水量大，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，損壞后不妨礙水在冷卻系中自然循環(huán)的特點。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 離心泵特性曲線上的效率最高點稱為設(shè)計點，泵在該點對應(yīng)的壓頭和流量下 工作最為經(jīng)濟。離心泵銘牌上標(biāo)出的性能參數(shù)即為最高效率點上的工況參數(shù)。圖 3 4 為水泵工作點的確定，工作點為水泵阻力曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點，選取 水泵時要盡量保證水泵工作點在高效率區(qū)域。 涮 出 點 流量 圖3 4 水泵工作點的確定 泵的特性曲線均在一定轉(zhuǎn)速下測定，軟件常常要根據(jù)已有的泵來計算不同轉(zhuǎn) 速或不同尺寸的泵的工作狀態(tài)。泵與風(fēng)機的相似定律是軟件實現(xiàn)變尺寸變轉(zhuǎn)速模。 擬的理論基礎(chǔ)，如果兩臺泵與風(fēng)機幾何尺寸相等或是同一臺和風(fēng)機，且輸送相同 的流體，當(dāng)泵的效率不變時( 轉(zhuǎn)速變化小于2 0 時，可認(rèn)為效率不變) ，泵的流 量、壓頭、軸功率與轉(zhuǎn)速可近似用比例定律計算，公式如下： 流量相似： 晏= 簧 ( 3 1 2 ) q 22 一。 揚程相似： 功率相似： 轉(zhuǎn)矩相似： 晏：善 ( 3 1 3 ) 馬婀 r斌 l = 上 忍m 1 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 玉：孽 ( 3 1 5 ) 吃婀 如果兩臺泵與風(fēng)機的轉(zhuǎn)速一定時，且輸送相同的流體，其流量、揚程、功率 與葉輪直徑滿足下面公式。 流量相似： 曼= 3 ( 3 1 6 ) 揚程相似： 每= 2 ， n ld 2j 功率相似： 每= 5 最ld 2j 選取水泵前首先要計算比轉(zhuǎn)速m ，即 m = 爺 1 9 ) 式中刀、q 、日分別為設(shè)計點的轉(zhuǎn)速、流量、揚程，m 確定泵的形式。 f b w 盥s t e r 提供了三條標(biāo)準(zhǔn)的s u 呀曲線，分別為離心泵，n 薩2 5 ；混流泵， n s - 1 4 7 ；軸流泵，n 甌6 l 。根據(jù)計算的比轉(zhuǎn)速選擇相近的s 咖r 曲線，用待選用 水泵正向旋轉(zhuǎn)時的實驗數(shù)據(jù)替換標(biāo)準(zhǔn)s m 盯曲線中對應(yīng)數(shù)據(jù)，即得到選用水泵的 近似s 疵r 曲線，水泵的s 疵r 曲線如圖3 5 所示。 上標(biāo)表示此量為無量綱參數(shù)，q 為無量綱化的流量，w h 、w t 分別表示 s 咖形式的h 和t ，當(dāng)q 屬于o - 2 時，表示是正轉(zhuǎn)的水泵或反轉(zhuǎn)的渦輪。 在進行瞬態(tài)模擬時還要輸入水泵的轉(zhuǎn)動慣量、馬達的轉(zhuǎn)動慣量，交工況工作 時，由于慣性作用，轉(zhuǎn)速達到某一數(shù)值需要一段時間，這兩個轉(zhuǎn)動慣量決定了這 個時間的長短。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 皇皇置| 置毫置曹i 因d 8 t a p o i 吣因d a t a p o i n t s 一p o 帥o m i a i f i t + 一p o i y n o m i a l f i t o 差 。 妻 i n e 餡0 rq - 1 1 1 e t a0 rq t o ( a ) 揚程曲線( b ) 轉(zhuǎn)矩曲線 圖3 5 水泵的s u t e r 曲線 3 1 3 風(fēng)扇 圖3 6 為冷卻空氣流經(jīng)空氣側(cè)的路徑，傳統(tǒng)的空氣側(cè)會依次經(jīng)過前端進氣格 柵、空調(diào)冷凝器、中冷器、水散熱器、風(fēng)扇、風(fēng)道其他部件，在車速較低時，風(fēng) 扇是空氣流動的動力來源，風(fēng)扇工作點的確定與泵工作點的確定類似。系統(tǒng)總的 阻力是以上各部件流動阻力的加和，其中較難確定的是風(fēng)道其他阻力損失，在一， 維計算初期一般假設(shè)該值等于o 7 倍的水散熱器阻力損失。風(fēng)道其余損失的確切 值可通過三維計算確定，然后再帶回一維計算，經(jīng)一、三維反復(fù)迭代計算達到收 斂。本文中的一維及三維計算結(jié)果均為迭代收斂后的結(jié)果。 圖3 6 熱管理空氣側(cè)示意圖 在風(fēng)扇模擬中除了要輸入風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速、掃過面積等基本參數(shù)外還要輸入 風(fēng)扇全壓及風(fēng)扇功率隨流量變化的曲線，擬合后曲線如圖3 7 所示。 1 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 0 2 5 | 2 0 鬻 雷 1 5 1 0 o 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 吾o 們。 糾 o 0 0 5 0 0 0 0 o 2468 1 0 1 21 4 體積流量m 3 s 一1 ( a ) 功率隨流量變化曲線( b ) 風(fēng)扇全壓隨流量變化曲線 圖3 7 風(fēng)扇性能曲線 3 1 4 發(fā)動機 圖3 8 為某直列六缸發(fā)動機本體的建模，此模型較為簡單。將氣缸視為一個 整體，未詳細(xì)區(qū)分水套、缸蓋、活塞組、曲柄連桿機構(gòu)等，且不考慮上述機構(gòu)之 間的傳熱。 圖3 8 發(fā)動機模型 以圖3 9 為例介紹單缸模型的搭建過程。通常狀況下，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量 有三分之一經(jīng)廢氣排出，三分之一轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч敵觯种唤?jīng)冷卻水散失。 如圖3 9 所示，熱源q 代表的是燃料完全燃燒放出的總熱量中除去有效功、機械 損失功、不完全燃燒熱和排氣余熱外的熱量，即發(fā)動機通過機體散失的熱量與傳 給冷卻水套的熱量，此元件常作為邊界條件元件使用。元件3 、4 為導(dǎo)熱棒，導(dǎo) 熱棒3 代表傳遞給冷卻水的熱量，原件8 實現(xiàn)將固體熱量傳遞給液體的作用；導(dǎo) 熱棒4 表示傳遞給機體的熱量，這部分熱量又通過對流換熱原件5 和輻射換熱原 件6 傳遞給了周圍環(huán)境。在一維計算初期發(fā)動機表面的對流換熱量和輻射換熱量 弩 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 均通過經(jīng)驗值估計，經(jīng)過三維計算后可以精確的獲得這兩個數(shù)值，經(jīng)過數(shù)次耦合 計算后即可獲得熱管理計算的最終值。 原件2 代表發(fā)動機機體質(zhì)量，為邊界條件原件。原件1 l 、1 2 為三通管。通 過該模型可以模擬變工況時冷卻液和機體換熱量及溫度變化情況。 o 國 ?；浺?。 國 p _ 一置一鹵一咽 f 。 f 圖3 9 發(fā)動機單缸模型 3 1 5 節(jié)溫器 節(jié)溫器為實現(xiàn)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)大循環(huán)和小循環(huán)切換的元件，在軟件中節(jié)溫器 需要輸入如下參數(shù)： 1 ) 升程?？梢杂脺囟妊舆t或者升程隨溫度變化曲線兩種方法定義升程，相同溫 度下冷卻升程不大于加熱升程。當(dāng)加熱和冷卻過程的開度溫度曲線形態(tài)相同 時，推薦使用溫度延遲定義升程，下圖3 1 0 中溫度延遲為1 0 k 。當(dāng)兩曲線形 態(tài)不同時，需分別定義。 10 o 8 。 o 6 簍。一 0 ，2 0 o ( a ) 溫度升高時的升程曲線( b ) 溫度降低時的升程曲線 圖3 - 1 0 節(jié)溫器性能曲線 o 8 6 4 2 o 1 o 0 o 0 o o 耐l l 岳 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文2 ) 時間常數(shù)。通常溫控閥是通過蠟類介質(zhì)的相變來實現(xiàn)對溫度的控制。此時間常數(shù)指的是冷卻介質(zhì)與蠟之間的傳熱延遲時間，其定義為冷卻介質(zhì)的傳熱量所c 。與蠟的吸熱功率觸之比。其中廳為蠟側(cè)的換熱系數(shù)，彳為蠟的換熱面積。3 1 6 空氣側(cè)準(zhǔn)三維模擬f b w 腿咖r 提供了專門的空氣側(cè)部分的分析功能，即3 - dv 西m l i z e r &s e g m e m o r ( a v s ) ，a v s 模塊是用來模擬空氣側(cè)的冷卻包系統(tǒng)的，具體來說，就是流體在流經(jīng)不同元件時流量并不相等的情況下，用一維的方法無法實現(xiàn)，需要借助a v s 模塊將該問題三維化，并最終實現(xiàn)對這種結(jié)構(gòu)的模擬。如圖3 1 1 所示，左圖為空氣側(cè)冷卻模塊的布置方式，橫置中冷器在前，縱置發(fā)動機散熱器和電機散熱器并排在后。流經(jīng)中冷器的氣體流量與流經(jīng)兩散熱器的氣體流量并不相等，進入散熱器的氣體只有一部分參與了中冷器的換熱。這種情況用一維的分析方法是無法模擬的。而3 dv i s m l 沈r & s e g m e i 吐0 r 則考慮空氣側(cè)系統(tǒng)的元件的幾何形狀和相對位置，并將這些元件進行合理分割，對每一塊分割的氣體流量、溫度變化進行計算從而得到元件本身的溫度分布、流量分配。右圖為進行網(wǎng)格劃分后的冷卻模塊。中冷( a ) 未劃分時日圖3 1 l 準(zhǔn)三維模擬示意圖( b ) 劃分后 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 | 量鼉量一 3 2 三維模型的搭建 3 2 1 散熱器 由于換熱器( 冷凝器、中冷器、散熱器) 中存在大量的換熱管道和復(fù)雜的翅 片結(jié)構(gòu)，且散熱帶和散熱管厚度很小，若直接模擬散熱器中的流動換熱，網(wǎng)格的 數(shù)目將非常巨大，現(xiàn)有計算能力幾乎無法實現(xiàn)，而且其性能主要取決于流經(jīng)器芯 體的空氣流量和溫度，為了節(jié)約計算資源，從換熱器對流場和溫度場的影響出發(fā) 對其進行簡化，從流動的角度將換熱器看作多孔介質(zhì)，對流過的空氣產(chǎn)生一個阻 力，即空氣流經(jīng)換熱器時會有一個壓力損失；從溫度場的角度將熱交換器看作單 位體積熱源，對流經(jīng)的空氣加熱。對于某給定熱交換器的壓降和換熱性能曲線可 通過仿真計算、測試或直接從生產(chǎn)廠家得到。 散熱器模塊中流動與傳熱的數(shù)學(xué)模型【4 5 】 1 ) 基本假設(shè) 根據(jù)本文所研究物理問題的實際情況，對散熱器組流動與傳熱問題作如下假 設(shè)： 散熱器各側(cè)為單相流動，空氣為不可壓縮氣體，物性參數(shù)僅隨溫度變化， 對流流體在各處可近似認(rèn)為處于局部平衡狀態(tài)。 忽略因重力而引起的自然對流。 散熱器芯部簡化為多孔介質(zhì)，忽略散熱器組表面與大氣之間的熱輻射，且 在多孔介質(zhì)中無化學(xué)反應(yīng)。 2 ) 散熱器芯部的處理 散熱器芯部被當(dāng)作多孔介質(zhì)區(qū)域處理，也就是需要確定粘性阻力系數(shù)口- 1 和 慣性阻力系數(shù)g ?？?，g 可以通過實驗數(shù)據(jù)計算獲取，也可以通過散熱器翅片 的相關(guān)計算獲取。 通過定義多孔介質(zhì)固體部分的體積熱生成率來模擬多孔介質(zhì)的熱傳導(dǎo)過程。 總散熱量q 可由一維計算獲得，總散熱量除以多孔介質(zhì)體積即為熱生成率g 。 3 ) 中冷器多孔介質(zhì)模型中口一、c 2 及留的確定 由實驗獲得中冷器流動性能參數(shù)如下表： 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 表3 1 中冷器流動性能參數(shù)冷側(cè)壓力損失 冷側(cè)體積流量，m 3 s 1壓力損失，i 塒 1 1 0 2 4 2 2 0 4 8 3 3 0 7 2 4 4 0 9 6 5 5 1 2 o 0 0 0 4 3 o o o l l 7 o 0 0 2 2 5 o 0 0 3 7 6 o 0 0 6 l 從上表可以得到來流風(fēng)速和通過中冷器后的壓強損失之間的關(guān)系。利用最小 二乘法將試驗數(shù)據(jù)擬合之后，得到壓強損失與速度的函數(shù)關(guān)系式： 矽= 5 4 6 2 西2 + 5 4 2 6 8 ， ( 3 2 0 ) 由多孔介質(zhì)達西定律可得： 墨= 一( 抄三鵬v 2 ) 2 t ， 其中，c 2 為多孔介質(zhì)內(nèi)部損失系數(shù)；為粘性系數(shù)；口為空氣穿透系數(shù)；，p 為流體密度；，為流度。 上面兩個方程是等價的，使用待定系數(shù)法解方程得出多孔介質(zhì)模型中的分組 性能參數(shù)，具體數(shù)值見表3 2 。 由一維計算可得中冷器、發(fā)動機水散、電機水散的總散熱量及體積，以額定 功率工況為例，計算得各熱生成率如下表所示。 表3 2 多孔介質(zhì)模型參數(shù) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文3 2 2 風(fēng)對于風(fēng)扇流動的描述采用多參考坐標(biāo)系( 枷r f ) 的方法。汽車風(fēng)扇對前端進氣的流量和分布具有重要的影響，也直接影響著汽車發(fā)動機艙內(nèi)部流動性能。目前，對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的計算流體力學(xué)數(shù)值計算有兩種主要的計算方法：多參考坐標(biāo)系和滑移網(wǎng)格法，其中，多參考坐標(biāo)系法作為一種定常的近似求解方法，以簡便適用的特點在工程中被廣泛應(yīng)用，更適用于汽車前端進氣數(shù)值模擬【4 6 1 。多參考坐標(biāo)系模型的基本思想是把整車內(nèi)外流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時流場，將非定常問題用定常方法來計算。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域在計算時保持靜止，而把風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域以外的部分則在慣性坐標(biāo)系里進行計算。在兩個子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流動參數(shù)，保證了交界面的連續(xù)性，達到了用定常計算來研究非定常問題的目的。3 2 3 發(fā)動機幾何清理時刪除對于流動和傳熱影響不大的細(xì)小管路，在s t a rc c m + 中包面，并在h y p c r l 地s h 中進一步修改。采用的基本尺寸為1 5 m m ，最小網(wǎng)格尺寸為4 姍，劃分完成后基本保留發(fā)動機的肋筋等細(xì)節(jié)。發(fā)動機網(wǎng)格如圖3 1 2 。圖3 1 2 發(fā)動機網(wǎng)格模型3 2 4 車身及雇盤車身某些局部，如特征明顯的大圓弧，或凸凹部分，為保留其幾何細(xì)節(jié)，采用較小的劃分尺寸( 3 0 舢) 。對于完整的平面，采用較大尺寸( 5 0 1 0 0 舳) 的2 5 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文網(wǎng)格，具體尺寸由平面大小決定。由于車體厚度較小，為保證最小角，在厚度方向采用1 0 1 5 衄網(wǎng)格劃分；對于通風(fēng)隔柵及隔柵與車身連接處，因流動變化劇烈，屬于重點考察位置，采用1 0 1 5 砌大小的網(wǎng)格來進行劃分。車架結(jié)構(gòu)較簡單，主要網(wǎng)格尺寸為2 0 m m ，結(jié)構(gòu)細(xì)小部分采用1 0 嗍網(wǎng)格。( a ) 車身外部( b ) 車架圖3 - 1 3 車身網(wǎng)格模型3 2 5 流場區(qū)域的劃分為了使計算結(jié)果更接近車輛行駛的真實環(huán)境，要求計算域的邊界不能干涉車輛流場，即計算域能完全包裹車輛流場。由于氣流的分離會在車輛的側(cè)面形成渦流，計算域在車輛各方向上能將所形成的渦流區(qū)完全包裹在內(nèi)，保證流動能達到充分發(fā)展的狀態(tài)( 在流動方向上梯度為零) 。以此為標(biāo)準(zhǔn)選定流場區(qū)域大小，車前2 倍車長，車后4 倍車長，長度方向共7 倍車長；寬度方向，左右各3 倍車寬，寬度共7 倍車寬；高度方向，車頂部為車高5 倍，共六倍車高；車輪與地面接觸處，車輪下陷4 0 m 。采用八叉樹方法在整個計算流域生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，加密流場內(nèi)粘性、湍流等參數(shù)變化梯度大的敏感區(qū)域，采用上述方法生成的面網(wǎng)格有1 7 0 萬左右，在h y p c r m e s h 中生成四面體網(wǎng)格，體網(wǎng)格數(shù)目約1 0 0 0 萬。3 2 6 邊界條件1 ) 外部邊界條件計算工況為汽車以恒定速度勻速直線運動，來流方向平行于汽車的前進方向，設(shè)定入口為速度進口邊界條件，進風(fēng)溫度為環(huán)境溫度，進口湍流設(shè)置使用經(jīng)驗值：湍流強度4 ，湍流長度o 0 0 3 m 。出口設(shè)定為壓力出口邊界條件。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 求解參數(shù)設(shè)置如表3 3 所示，表3 4 為外部邊界條件參數(shù)設(shè)置。 表3 3 求解參數(shù)設(shè)置 設(shè)置項 設(shè)定值 湍流模型 壁面函數(shù) 空間離散格式 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) 二階精度迎風(fēng)格式 計算方法與數(shù)值精度 s i l e ，o o o l 表3 - 4 外部邊界條件參數(shù)設(shè)置 計算域邊界 設(shè)定值 入口邊界 速度進口 = 工況車速，= o ，w = o 湍流強度，= 0 4 湍流長度，= 0 0 0 3 m 溫度= 3 8 出口邊界 壓力出口 p = 1 0 1 3 2 5 p a 溫度= 3 8 計算域底面 無滑移壁面邊界 計算域左右表面以及上表面 滑移壁面邊界 一 汽車車身表面 無滑移壁面邊界 2 ) 內(nèi)部邊界 采用多孔介質(zhì)模型將中冷器、散熱器等換熱器簡化為體積熱源和壓力降，從 而實現(xiàn)對換熱和流動的模擬；發(fā)動機表面指定為第一類邊界條件，不考慮其與周 圍環(huán)境的對流傳熱和輻射換熱，未考慮排氣管輻射的影響。各部件溫度設(shè)定如下 表所示： 表3 5 發(fā)動機各部件表面溫度 機體依 排氣管倀進氣管l (壓氣機外殼l (渦輪外殼依油底殼l ( 3 7 35 3 3 3 2 33 9 35 1 33 5 3 ： 2 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第4 章仿真計算結(jié)果 根據(jù)文獻【4 7 】選定發(fā)動機最大功率和最大扭矩工況為計算工況，在額定工況時 發(fā)動機進氣流量大，進氣壓力和溫度高，中冷器出口溫度容易超出限值。最大扭 矩工況時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低，加之車速低，冷卻空氣進氣流量小， 容易造成冷卻液過熱。 4 1 一維計算結(jié)果 4 1 1 中冷器計算的結(jié)果 為達到增壓空氣出口溫度低于5 0 的要求，計算確定中冷器的尺寸如下： 表4 - l 中冷器尺寸 各換熱器具體布置方式如圖3 1 l 所示，計算得中冷器散熱量及出口參數(shù)下 表所示： 表4 2 中冷器性能參數(shù) 參數(shù) _ 中冷器散熱量，k w出口壓力，b 盯出口溫度， 工況 額定功率 最大扭矩 1 7 6 8 1 5 2 9 2 1 q l 2 2 4 l 4 3 9 3 4 2 5 5 圖牛1 為中冷器溫度分布，中冷器前無遮擋，冷卻空氣均勻穿過中冷器，中 冷器橫置，計算結(jié)果反映出增壓空氣自左向右流過中冷器時由溫度高到低的變化 趨勢，體現(xiàn)了準(zhǔn)三維計算的優(yōu)勢。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文疊k| =| o：篇_ 。1 1 ：囂。，琶赫l 。，辮：器；。i 麓l 。，：墨篙l 。：= ：_ 。；囂_ 。蟠腫矧( a ) 等高線顯示( b ) 云圖顯示圖4 1 中冷器溫度分布4 1 2 發(fā)動機散熱計算的結(jié)果為了滿足冷卻液進出口溫度要求，一維計算確定的發(fā)動機水散尺寸如表4 3所示：表4 3 計算得發(fā)動機散熱器尺寸表4 4 為計算得散熱量及冷卻液進出口溫度表4 4 發(fā)動機散熱器流動、換熱參數(shù)參數(shù)空氣流量，冷卻水流量，冷卻水進口溫冷卻水出口溫工況m 3 s 。1m 3 s 。1度，度，額定功率2 4 60 0 0 4 38 1 4 57 7 3l最大扭矩2 0 20 0 0 3 29 8 1 89 1 5 5由圖4 2 ( b ) 可以明顯看出中冷器遮擋對后面發(fā)動機散熱器的影響，與周圍( 紅色部分) 相比被遮擋部分散熱量下降。由圖4 2 ( a ) 可以看出，沿冷卻液流動方向，散熱量逐漸減少，但趨勢不如中冷器明顯，因為水散進出口溫差遠(yuǎn)小于中冷器進出口溫差，冷卻液與空氣的換熱量差異也較中冷器小。3 0 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文；喜差言l( a ) 等高線顯示圖4 - 2 不同位置換熱量圖4 3 為散熱器不同位置處溫度。( a ) 等高線顯示闌：囂盞鬢：器黧亥e戮：焉i：器l麓-：徽：湍_ 一t ，- -( b ) 云圖顯示i _ - _ _ ( b ) 云圖顯示圖4 3 散熱器溫度分布計算結(jié)果顯示溫度由進口到出口逐漸降低，由圖4 3 ( a ) 可得由于流過空氣量的減少，被中冷器遮擋部分溫度降低較未被遮擋部分慢。如圖4 3 ( b ) 所示，由于中冷器左側(cè)溫度高于右側(cè)，受此影響，發(fā)動機散熱器左側(cè)溫度也較右側(cè)略高。4 1 3 控爿、電機散熱為了滿足冷卻水溫度要求，一維計算確定電機水散尺寸如表4 - 5 所示：表4 5 電機散熱器尺寸表4 6 為各冷卻性能參數(shù)。氣氣 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文表4 6 電機散熱器流動、換熱參數(shù)參數(shù)空氣流量，冷卻水流量，冷卻水進口冷卻水出口弋工況m 3 s 1m 3 s 。1溫度，溫度，額定功率1 2 8o 0 0 1 7“6 36 1 5 7最大扭矩o 7 50 0 0 1 05 7 2 15 5 2 0如圖4 4 、4 - 5 所示，其換熱量分布及溫度分布與發(fā)動機散熱器類似，亦受冷卻液進出口溫度及中冷器遮擋的影響。( a ) 等高線顯示圖4 4 不同位置散熱量斕( b ) 云圖顯示( a ) 等高線顯示( b ) 云圖顯示圖4 5 不同位置散熱器溫度分布4 1 4 風(fēng)轉(zhuǎn)速、功率、流量表4 - 7 為風(fēng)扇計算結(jié)果，計算得風(fēng)扇功率占發(fā)動機功率的5 5 3 和1 9 1 ，均滿足設(shè)計要求。3 2”“以e e 鼉0 至 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 表4 - 7 風(fēng)扇計算結(jié)果 參數(shù) 風(fēng)扇流彰風(fēng)扇功率占發(fā) 轉(zhuǎn)速，r p m 功率，k w 工況 m 3 s 。1動機功率比 額定功率 最大扭矩 2 1 8 7 1 6 0 5 4 0 3 2 9 l 8 6 3 4 5 5 3 1 9 l 4 1 5 與e x i 的聯(lián)合計算 f b w 強妣r 支持基于c o m ( c o n 甲i o 艙n to 巧e c tm o d e l ，組件對象模型) 的 開發(fā)。因此f b w m a s t e r 可以與任何第三方軟件方便的集成和二次開發(fā)，實現(xiàn)各 軟件之間的相互調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞。f b w n 塒；t e r 支持c 撐、v b n e t 、肼、v bs c r i p t 、 壇忸s c r i p t 幾種主流的腳本語言，本文中使用v bs c r 恥開發(fā)聯(lián)合計算腳本。本 腳本可以實現(xiàn)對發(fā)動機循環(huán)水流量及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動修改，并能將計算結(jié)果中節(jié) 點1 5 的溫度值自動輸出到e ) 啪l 對應(yīng)單元格中。當(dāng)需要反復(fù)修改某幾個變量時， 采用該方法可以提高計算效率，并能減少出錯的概率。 圖4 6 為聯(lián)合計算的b l 界面及計算結(jié)果，點擊“r 姐a 豫眵s i s 開始計算。 d t s o u r c e 豆盯竹z 、鐲u 疆隙l s s d a t t b a ef 1 0 t 8 t e r l o i np r o j e c tf 1 m t o t 口 u fj o rl t e i n u 0 c tp l o r d + 啐 p r o j e c t e 時忸i d e t o r k 一4 ec o l u l t i o n f j p e c d ，m e n e i n ec o o l t n t f i o ，r a t e ，_ t q 0 0 2 5o 0 2 7 5o 0 30 0 3 2 5o 0 3 7 5o 0 0 0 t 2 50 0 t 5 圖4 6 隴吐f k m m 舔t 凹聯(lián)合仿真界面 下面為聯(lián)合計算的腳本： p 咖a 鈀s 曲c 伽舳如d b u t t o n l c l j c k o 聲明f b m m s 衙工程 d h 矗i 誓i p p 舡f b w n 皿s 喧a 咖姐t b n - g u i a p p l i c a t 南n 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 d 婦p 刪舢f b 礬瑚s 賦a u t 0 瓶t i o n g u i p m j c c t d h 喊缸f b w 腿啤：a 咖眥t b n - g u 烈c t w 0 血 d h p m p 舡f b 啪阻s 畋a 喲m a t i o n _ g u i c o r 印。豫n t d h 缸缸f h 偶?。篴 咖m a ：t i 0 璁- g u i c o n 驢m n t d m 她s 舡f b 啪娥r - a 咖瓶t i o n - g u i _ r c s u 峪e t 聲明其他的對象 d i i l ld a 協(xié)s o ，d a 詛b 緲e ，l 0 9 i i l p r o j e c t ，r n a 艘，u s e r p s w d ，p m j e 刪a 鵬， n e t w o r l d 呵鋤a s 咖 d h i ，j ，他n ，c i n d c x ，n 砌e x ，c i n d e x l 缸i 疵黟 d 柚t e m 舡d o u b l c d hd 塒硼冊r 舡b 0 0 k a n d hd b 舡b 0 0 l e 鋤 讀入數(shù)據(jù)庫名稱，路徑，登錄 d a t a s o u m e = c e s ( 5 ，4 ) l d a t a b a = c e n s ( 6 ，4 ) l u c l 0 9 沖m j c c 仁c e l l s ( 7 ，4 ) l 呶r n 鋤= c e ( 8 ，4 ) h l e l r p s w d = c e n s ( 9 ，4 ) v a l 鵬 p 叫e c i n a 鵬= c e s ( 10 ，4 ) i n c t w o d 斟黜= c e 蟻1 l ，4 ) l m 。啟動f b 她m s t e r s c t 矗n a p p 虧n e wf b w m s t e r 一a u c o m a t i o r l g u i a p p l i c a t 沿n 設(shè)定數(shù)據(jù)庫 d b = 缸i p p d a 劬黜l 0 9 i i l ( d a 協(xié)s o 嘲，d a 詘跚，l 0 9 i 1 1 p 蚵e c t u r n a 鵬， u r p s w d ) 設(shè)定工程，豫鉚o d 【，元件 s e tp 喇= 觸p p p m j e c 妒m j e c l n a 鵬) s c tn c t = 刪n 咖d ( ( n 咖。心黜) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 s e tp i p = 毗c o r 珥，0 m m ( ”l 4 ) s e t 丘m = 眥c o r t p o 鵬m ( ”1 ) f 0 ri = 1t 01 1 設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 d 1 礬咖腫r = 正n s e 也i r 曲y s e a r c l l ( ：1 0 u l p l j t 、強h 鼉a tl s t 而氆) 蠡1 1 1 s e t c l 垤l 瞻( c e 戤心1 6 ，2 ) l ) 觚s a v e c h a n 薩s f o r j = lt 01 0 設(shè)定發(fā)動機冷卻液流量 1 1 唧r = p 啪p s 乩啪y s e a r c ”：o 呻m h j ea t1 s tt 眥) p m p s e t c l 垤h j e ( c e 蟻l6 j + 2 ) k ) p 硼叩s a 、吧c l 豳州葶c s 運行穩(wěn)態(tài)傳熱和準(zhǔn)三維計算的分析 s = 嗽r u n a n a l y s i s ( u r n a m e ，- f b w r a t e ”& c e l l s ( 1 6 j + 2 ) 、函l u e & ， f 鋤s p 讎