某輕型商用車機艙流場和冷卻性能分析摘要：本文利用軟件STAR-CCM+對某輕型商用車機艙內(nèi)部新舊布置方案的流場及冷卻性能進行了分析，得到定性的可視化結(jié)果和定量的關(guān)鍵物理量結(jié)果，通過分析截面及換熱器芯子表面速度和溫度的分布，發(fā)現(xiàn)原方案存在嚴重的熱氣回流現(xiàn)象，降低了換熱器的換熱效率，新方案的冷卻氣流流量降低的同時溫度也降低，根據(jù)仿真得到的發(fā)動機出水溫度及中冷器出氣溫度判斷新方案滿足冷卻系統(tǒng)性能要求。仿真方法在3種工況下關(guān)鍵溫度的誤差最大為3.8oC左右，對設(shè)計工作具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：CFD；機艙流場；冷卻系統(tǒng)；換熱器前言冷卻系統(tǒng)的開發(fā)是汽車設(shè)計中關(guān)鍵內(nèi)容之一，更緊湊的機艙布置，更高的發(fā)動機熱負荷和更嚴厲的排放標準對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為判斷車輛的冷卻性能是否滿足設(shè)計要求，通常需要進行整車轉(zhuǎn)轂試驗來驗證，如果沒有達到預(yù)期，多輪方案的重新設(shè)計及實施將會增加開發(fā)成本，甚至影響項目的開發(fā)進度。日益成熟的CFD仿真分析方法是一種低成本、高效率的設(shè)計開發(fā)手段，從仿真中可以得到試驗難以捕捉到的豐富信息，用于定位問題關(guān)鍵點，有依據(jù)地評估并優(yōu)化設(shè)計方案。某輕型商用車為解決發(fā)動機“露缸”嚴重的問題，需要將發(fā)動機前移，使得冷卻包的布置面臨困難，新布置方案給冷卻系統(tǒng)帶來的風(fēng)險需要進行評估。本文描述了使用軟件STAR-CCM+對原方案和新方案進行仿真計算，將原方案試驗和仿真結(jié)果進行對比，驗證仿真方法的可信度，再對新方案的流場及關(guān)鍵溫度結(jié)果進行分析，判斷新方案的可行性。分析方法本文選用三維仿真方法。相對于一維仿真，三維仿真可以捕捉速度、壓力、溫度等物理量在空間上分布的詳細信息，如換熱器芯子表面的風(fēng)速分布和溫度分布，更接近于實際情況，而不是簡單的平均分布。對于參數(shù)無法直接表現(xiàn)其性能的方案改動，比如在散熱器周圍加擋板帶來的影響，必須通過三維軟件計算出流場才能準確評估。一維模型必須通過實車試驗進行標定，而三維計算可以在整車試驗之前完成仿真。風(fēng)扇和換熱器分別通過MRF（MovingReferenceFrames）模型和多孔介質(zhì)（Porous

Medium）模型來模擬。對于換熱器冷熱兩側(cè)的換熱計算，使用STAR-CCM+中的真實雙流換熱器模型（ActualFlowDualStreamHeatExchangerModel）來完成。用于定量評價的指標主要有發(fā)動機出水溫度和中冷器出氣溫度。通過換熱器的空氣流量和換熱器迎風(fēng)面平均溫度對換熱器性能發(fā)揮有直接影響，也是需要關(guān)注的結(jié)果。計算模型與邊界條件計算模型建立整車CFD計算模型，包括駕駛室、車廂、車架、懸架、車輪、發(fā)動機、變速箱、冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、油箱、電池、儲氣筒等，盡量保持與實車一致（見圖1）。圖1整車CFD計算模型圖2原方案布置方式圖3新方案布置方式由于發(fā)動機的前移，新方案冷卻包的布置方式發(fā)生改變，與原方案相比主要有以下區(qū)別（見圖2、圖3）：冷卻包前移并傾斜；風(fēng)扇軸由水泵軸下移至曲軸，同時風(fēng)扇速比由1.35降低為1；護風(fēng)罩重新設(shè)計；中冷器與散熱器的相對位置發(fā)生改變。使用切割體網(wǎng)格對模型進行劃分，對關(guān)心區(qū)域和流動復(fù)雜區(qū)域進行網(wǎng)格加密，選擇合適的網(wǎng)格大小以平衡計算精度和計算時間的關(guān)系，最終網(wǎng)格數(shù)量約為1600萬（見圖4）。圖4網(wǎng)格模型2.2邊界條件考察扭矩點、檢查點和功率點三種工況下的冷卻能力，邊界條件見表1。根據(jù)供應(yīng)商提供的散熱器和中冷器數(shù)據(jù)，給定多孔介質(zhì)的阻尼系數(shù)以及雙流換熱器模型的Q-Map（見圖5）。為了簡化問題，除了散熱器和中冷器以外沒有考慮其他熱源的熱效應(yīng)。表1邊界條件發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）140019002500車速（km/h）252525環(huán)境溫度（oC）24.924.126.5散熱器散熱功率（kW）55.8674.5177.39冷卻液流量（l/min）127.69147.8177.17中冷器進氣溫度（oC）165.8173.2183.9中冷器流量（kg/min）6.348.9312.11風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-原方案（r/min）189025653375風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-新方案（r/min）140019002500圖5阻尼系數(shù)和Q-map計算結(jié)果分析先將原方案的仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進行對標（見圖6），可以看到散熱器出水溫度誤差最大為3.8oC，中冷器出氣溫度最大誤差為3.7oC。考慮到發(fā)動機臺架試驗的數(shù)據(jù)，散熱器、中冷器供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)轂試驗的數(shù)據(jù)，都帶有試驗本身的誤差，這樣的精度可以接受。圖6仿真與試驗對標用同樣的方法對新方案進行仿真，將重點關(guān)注結(jié)果與原方案進行對比（見表2）。新方案最大的一個劣勢就是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速大幅降低，這也是前期擔(dān)心的主要風(fēng)險。結(jié)果表明通過散熱器和中冷器的空氣流量的確都顯著降低。但同時新方案冷卻包的迎面風(fēng)溫度也有了明顯的下降，這對提高換熱效率十分有利。最終發(fā)動機出水溫度只提高了0.5oC，依然滿足冷卻要求。根據(jù)中冷器的Q-Map可以發(fā)現(xiàn)，中冷器散熱性能對冷卻風(fēng)量的敏感性不及散熱器，所以風(fēng)量的減少對其性能的影響有限，同時在迎面風(fēng)溫度下降至接近環(huán)境溫度的情況下，出氣溫度大幅下降了10.4oC。通過Y=0截面速度矢量圖（見圖7）可以看出，機艙內(nèi)部流場比較復(fù)雜，多處存在渦流。風(fēng)扇附近流場速度較大，由于風(fēng)扇離發(fā)動機很近，吹出的風(fēng)受到發(fā)動機的阻礙，向四周發(fā)散。表22500r/min結(jié)果對比新方案原方案變化發(fā)動機出水溫度（oC）81.380.80.5中冷器出氣溫度（oC）56.366.7-10.4散熱器空氣流量（kg/s）3.243.63-10.7%中冷器空氣流量（kg/s）2.452.98-17.8%散熱器迎面風(fēng)溫度（oC）38.141.1-3.0中冷器迎面風(fēng)溫度（oC）29.235.8-6.6新方案中風(fēng)扇下部沒有受到發(fā)動機阻礙，所以更利于有組織地將熱氣流吹向地面，帶走熱量，改善機艙內(nèi)的熱環(huán)境。冷卻氣流流量對散熱效果有直接影響，除了與風(fēng)扇能力相關(guān)，也與機艙系統(tǒng)阻力相關(guān)。前端進風(fēng)主要從保險杠以及保險杠與格柵間的空隙處流向冷卻包，從速度矢量圖中可以看到兩條速度明顯比周圍大的路徑，這也是阻力最小的流道。新冷卻包的下移，減小了駕駛室地板對冷卻包的阻礙，尤其中冷器完全擺脫了駕駛室地板的遮擋，同時冷卻包的前移，縮短了與前端進氣口的距離，減小了冷卻包前方阻力，風(fēng)扇與前端進氣口的位置在Z方向上也更加對應(yīng)，綜上因素有利于更多氣流通過冷卻包，一定程度上彌補了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低帶來的負面影響。冷卻包距離進氣格柵、保險杠越遠，越不利于前端進氣，尤其在本試驗中的低風(fēng)速工況下，進氣幾乎完全依賴于風(fēng)扇。圖7Y=0截面速度矢量圖@2500r/min本次計算中只考慮了散熱器和中冷器兩個熱源，氣體導(dǎo)熱能力不強，且沒有考慮輻射換熱，所以近似認為溫度大于環(huán)境溫度的地方都是熱氣流流到的地方，也就是說可以直觀地通過觀察溫度云圖判斷氣流通過冷卻包后的流向?？梢钥吹讲糠謿饬鞑]有能夠順暢地排出機艙外，而是帶著熱量返回到冷卻包前方上部，降低了換熱器的換熱功率（見圖8）。與原方案相比，新方案冷卻包與地板之間的空間縮小，使得熱氣流回流余地變小，進而對冷卻包的影響范圍變小，對抑制熱氣回流起到了關(guān)鍵作用?？梢钥吹叫路桨革L(fēng)扇周圍的溫度明顯降低，而發(fā)動機下方的溫度升高，是因為更多的熱氣流由此排出機艙外。圖8Y=0截面溫度云圖@2500r/min換熱器冷卻性能隨著迎面風(fēng)溫度的升高而降低。觀察原方案中冷器芯子表面空氣溫度，最高有60oC（見圖9），這明顯是熱氣回流造成的。新方案一方面因為中冷器相對于散熱器的位置下移，另一方面由于熱氣回流現(xiàn)象得到抑制，使得中冷器避開了冷卻包上方的熱氣回流區(qū)域，所以中冷器芯子表面空氣溫度明顯低于原方案。散熱器布置在中冷器后方，所以散熱器芯子表面的空氣大多帶著中冷器的散熱量，因此溫度相對較高，且兩者高溫區(qū)有一定對應(yīng)性（見圖10）。新方案散熱器迎面風(fēng)溫度低一方面是由于前方的中冷器出氣溫度降低，另一方面是因為熱氣回流現(xiàn)象減弱。散熱器尺寸比中冷器大，原方案散熱器芯子下方位置沒有被中冷器遮擋，外界氣流直接流到散熱器芯子表面，所以這部分溫度更接近環(huán)境溫度。圖9中冷器芯子迎風(fēng)面溫度云圖@2500r/min圖10散熱器芯子迎風(fēng)面溫度云圖@2500r/min散熱器芯子表面風(fēng)速高速區(qū)域分布基本與風(fēng)扇的輪廓一致，可見風(fēng)扇在散熱器進風(fēng)效果中起主導(dǎo)作用，另外因為受中冷器的阻擋，速度分布也可以看出中冷器的輪廓。中冷器離風(fēng)扇較遠，且中間有散熱器的阻擋，速度分布相對平均，風(fēng)扇效應(yīng)不明顯（見圖11,圖12）。根據(jù)速度云圖也可以看出新方案的流量降低明顯，雖然原方案中冷器中上部風(fēng)速大，但其中主要是熱氣回流。另兩個工況點的結(jié)果也符合冷卻要求，不再贅述。圖11散熱器芯子表面速度云圖@2