商用車機(jī)艙熱保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

巫紹寧 王 偉 彭 婧 呂俊成 楊 宇

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1) 柳州 545007) (武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2) 武漢 430070)

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商用車機(jī)艙熱保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

巫紹寧1)王 偉1)彭 婧1)呂俊成1)楊 宇2)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1)柳州 545007) (武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2)武漢 430070)

為滿足商用車在研發(fā)設(shè)計(jì)階段前艙和底盤的熱保護(hù)需求，通過計(jì)算流體力學(xué)方法對機(jī)艙內(nèi)冷卻氣流的流動(dòng)情況、熱害元件熱輻射情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,并在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)艙與底盤布置的優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，懸置最高溫度降至71 ℃，仿真分析為設(shè)計(jì)需要提供了機(jī)艙內(nèi)部、底盤布置優(yōu)化的理論及數(shù)據(jù)支持.

商用車;計(jì)算流體力學(xué);中置后驅(qū);整車熱保護(hù)

0 引 言

整車熱管理最初是作為解決機(jī)艙冷卻散熱問題的工具被各大整車制造商所關(guān)注的.奔馳公司Bernhard等[1]借助商用軟件，在不考慮熱輻射的情況下完成了整車系統(tǒng)的全細(xì)節(jié)散熱仿真，為整車熱管理仿真普及鋪平道路.隨著國內(nèi)用戶對微客動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性要求的提高，中置后驅(qū)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對半封閉式機(jī)艙和座椅倉輻射熱的控制成為不可忽視的熱管理問題.文中以某款搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的中置后驅(qū)微客車型機(jī)艙熱害元件的布置設(shè)計(jì)為研究對象，通過計(jì)算流體力學(xué)耦合工程熱力學(xué)仿真分析方法，對機(jī)艙熱保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.在對機(jī)艙和底盤熱環(huán)境的模擬基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證等途徑，解決掣肘中置增壓發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙部件高溫失效的難題，為機(jī)艙和底盤布置優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù).

1 理論分析

研究對象為一款中置后驅(qū)商用車，周圍流體介質(zhì)為空氣，單一相，因此采用單相流模型.流動(dòng)主要有兩種流動(dòng)方式：層流和湍流.空氣在汽車前艙中的流動(dòng)以湍流為主，故采用湍流模型描述前艙和底盤的空氣流動(dòng)狀況[2].寫成笛卡爾坐標(biāo)系下張量形式的控制方程如下.

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：ρ為流體密度；ui為速度分量；μ為粘度；p為流體微元體上的壓力.2個(gè)方程稱為雷諾平均的Navier-Stokes方程.標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

(3)

耗散率ε的輸運(yùn)方程：

(4)

式中：Gk為由平均的速度梯度引起湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb為浮力影響的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)的膨脹對總的耗散率的影響；αk和αε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε有效的湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)形式.

對以上控制方程采用有限體積法進(jìn)行求解計(jì)算.壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)之間的耦合計(jì)算采用SIMPLE算法.在靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動(dòng)，壁面也阻止了法向的速度脈動(dòng).而離開壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動(dòng)能產(chǎn)生迅速變大，因而湍流增強(qiáng)[3]，因此近壁面的處理明顯影響數(shù)值模擬的結(jié)果.

零部件間熱傳導(dǎo)方程：

(5)

熱輻射方程：

(6)

耦合計(jì)算理論是以固壁面溫度為中間求解變量，迭代熱力學(xué)方程和流體力學(xué)方程求解的過程.用以仿真前艙和底盤強(qiáng)制通風(fēng)對流換熱、相鄰固體零件間熱傳導(dǎo)和高溫?zé)嵩锤浇鼰彷椛涔餐饔孟碌恼嚈C(jī)艙、底盤氣流流動(dòng)情況和熱敏感零部件的工作溫度.

2 仿真分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

為了完整地表征發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場和溫度場，捕捉復(fù)雜的幾何邊界，文中建立了包含120多個(gè)部件汽車的詳細(xì)幾何模型.應(yīng)用Hypermesh完成幾何清理和計(jì)算區(qū)域選取后，對幾何模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分；然后導(dǎo)入T-Grid軟件中生成非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，得到全細(xì)節(jié)網(wǎng)格模型.

考慮受熱部件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和溫升，懸置、空濾、輪系、排氣系統(tǒng)均使用實(shí)體網(wǎng)格，熱輻射計(jì)算軟件Radtherm中設(shè)定溫度和輻射源邊界包括5種模型：大氣輻射(太陽輻射)、地面反射輻射[4]、冷凝器和散熱器的強(qiáng)制對流換熱、排氣系統(tǒng)的熱輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射，見圖1.

圖1 熱輻射模型能量源示意圖

考慮該車的路試問題反饋和相關(guān)城市高溫惡劣情況，模擬海南五指山正午太陽直射且車輛滿負(fù)荷在山路爬坡行駛工況.車速50 km/h，滿載爬坡.獲取當(dāng)?shù)厝兆罡邭鉁財(cái)?shù)據(jù)和地面溫度數(shù)據(jù)，見圖2.

圖2 海南五指山市8月份逐日最高氣溫采集圖

文中分析的爬坡工況散熱器散熱負(fù)荷較大，故需對散熱器及前端散熱模塊進(jìn)行詳細(xì)模擬.冷凝器和散熱器的溫度分布和強(qiáng)制對流換熱量是由相應(yīng)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口水溫和冷卻系統(tǒng)中通過散熱器元件的冷卻空氣流量求出的.

(7)

式中：cp為比定壓熱容，cp=3.62 kJ/kg；ρ為空氣密度，ρ=1 049 kg/m3，得到冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)帶走的熱量與散熱器散走熱量的等式關(guān)系.根據(jù)實(shí)測實(shí)車各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液流量，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)和散熱器、冷凝器、中冷器單體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)前端散熱系統(tǒng)的搭建，計(jì)算出散熱器在滿載爬坡工況下的風(fēng)速分布情況[5]，見圖3.

圖3 散熱器風(fēng)量分布和內(nèi)部水溫分布

采用Fluent軟件提供的三維管路流場進(jìn)行排氣系統(tǒng)仿真分析，使用發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)提供的排氣三催入口的質(zhì)量流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線作為入口邊界(見圖4)，加載到搭建好的三維管路流場模型中.首先計(jì)算出排氣歧管、三元催化轉(zhuǎn)化器、主消聲器、副消聲器和管路內(nèi)部的排氣流場(HTC)和溫度場(temperature)；將HTC和Temperature加載到Radtherm熱輻射計(jì)算軟件的排氣歧管模型內(nèi)表面作為初始的溫度邊界[6]，完成排氣系統(tǒng)輻射熱源的數(shù)學(xué)模型搭建，見圖5.

圖4 排氣流量數(shù)據(jù)

圖5 排氣系統(tǒng)溫度邊界

由于已有完整的實(shí)體模型，適宜采用Fluent中的MRF旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸模型仿真電子扇，精確的數(shù)據(jù)有助于減小數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)誤差.

2.2 原始模型仿真結(jié)果及分析

根據(jù)路試結(jié)果模擬最惡劣工況為低速爬長坡全負(fù)荷行駛.計(jì)算介質(zhì)為空氣，環(huán)境大氣壓101.325 kPa，環(huán)溫為試驗(yàn)時(shí)當(dāng)?shù)販囟?07.15 K，太陽直射地表溫度333.15 K，車速為50 km/h爬坡(模擬試驗(yàn)時(shí)爬坡工況)，排氣管排氣流量411.4 kg/h，三元催化轉(zhuǎn)化器入口溫度1 057 K，冷凝器與散熱器的散熱功率分別為7.854 kW和28.15 kW，熱輻射分析的材料根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義.

通過Fluent解算機(jī)艙和底盤三維空間流場的速度、壓力分量和熱對流；Radtherm解算壁面和熱害元件的熱傳導(dǎo)、熱輻射，將兩款軟件的求解器設(shè)定為每10次迭代進(jìn)行一次近壁面溫度、流速數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)完成耦合計(jì)算.在仿真設(shè)計(jì)的惡劣工況下，各熱敏感部件表面溫度仿真結(jié)果，見表1.

表1 熱敏感部件表面溫度

通過對數(shù)值流場仿真結(jié)果的后處理，得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的速度流線，表征進(jìn)入前艙和底盤的流速和流向(其中暖色為高速，反之為低速)，見圖6.發(fā)動(dòng)機(jī)艙中排氣側(cè)(左)懸置與高溫?zé)嵩礈u輪增壓器距離較近，在中低車速段對流散熱效果不明顯，懸置頂部及橡膠件存在過熱風(fēng)險(xiǎn)；座椅艙密封橡膠處于半密封狀態(tài)的座椅艙頂部流動(dòng)死區(qū)[7]，同時(shí)受到排氣系統(tǒng)高溫炙烤和渦輪增壓器的熱輻射的共同作用，致使溫度過高；發(fā)動(dòng)機(jī)OCV閥線束與座椅艙密封橡膠情況類似處于半密封狀態(tài)的座椅艙中，導(dǎo)致線束附近溫度越積越高，對使用整車安全性造成損害.

圖6 動(dòng)力總成附近溫度云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對仿真分析中原始設(shè)計(jì)方案暴露出的問題，通過增大熱敏感元件與排氣系統(tǒng)之間距離；在熱源與熱敏感元件間插入隔熱罩等方法解決.加裝座椅艙散熱小風(fēng)扇同時(shí)在下護(hù)板上設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)通道實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)量的增加；通過增加渦輪增壓器與排氣側(cè)懸置之間的隔熱罩能夠有效降低懸置表面溫度；故選擇安裝隔熱罩方案.綜合2種可行的優(yōu)化思路與實(shí)際工藝的可實(shí)現(xiàn)性得出優(yōu)化方案：在座椅艙頂部增加散熱小風(fēng)扇；按照原始模型熱輻射結(jié)果，在渦輪增壓器與排氣側(cè)懸置之間、排氣系統(tǒng)與座椅艙密封圈之間靠近排氣系統(tǒng)側(cè)加裝隔熱罩.在原始數(shù)模上完成修改后以同樣的邊界條件進(jìn)行仿真分析計(jì)算，優(yōu)化模型與原始模型的對比見表2.

表2 熱敏感部件表面溫度對比 ℃

圖7為優(yōu)化前后機(jī)艙內(nèi)速度場和溫度場云圖對比結(jié)果.

圖7 優(yōu)化前后表面速度場和溫度場云圖

通過上面的對比發(fā)現(xiàn)，下蓋板阻礙冷卻空氣吹到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的高溫部件上，設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)通道有助于增加熱害部件表面的冷卻空氣流速；在高溫?zé)嵩磁c懸置橡膠之間添加隔熱性能較好的含石棉纖維夾層類隔熱罩將有效地降低排氣側(cè)懸置膠受熱老化風(fēng)險(xiǎn)；在座椅倉頂增加小風(fēng)扇并使其對著渦輪增壓器送風(fēng)，使用增壓器表面風(fēng)速明顯提高，汽車中低速行駛時(shí)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)死區(qū)的情況得以緩解，并降低駕駛員座椅框及附近地板溫度，降低“烤腳”風(fēng)險(xiǎn)，提升駕乘主觀感受.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

完成快速成型樣件、3D打印樣件后，首先在模擬爬坡工況的環(huán)境艙中進(jìn)行多次整車熱平衡試驗(yàn)[8]，排除特異結(jié)果后取平均值.為了將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證熱保護(hù)仿真方法的可行性和優(yōu)化方案的實(shí)用性，在增壓器、OCV閥線束接頭、座椅艙密封橡膠、小風(fēng)扇出風(fēng)口和排氣側(cè)懸置上部、前部、后部等主要部件上設(shè)置了多個(gè)溫度測點(diǎn)，試驗(yàn)測點(diǎn)布置和溫度結(jié)果采集見圖8.

圖8 測點(diǎn)布置情況及環(huán)境艙試驗(yàn)結(jié)果

4.2 誤差分析

試驗(yàn)樣車在模擬高溫惡劣工況的環(huán)境艙中滿載爬坡運(yùn)行，直至測點(diǎn)溫度波動(dòng)穩(wěn)定后獲取各測點(diǎn)的溫度值，見圖8.綜合分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣溫度提高導(dǎo)致了排氣溫度相應(yīng)提高，增壓器溫度上升到950 ℃，隔熱罩表面溫度高達(dá)148 ℃，這使得處于增壓器正上方的OCV閥線束溫度達(dá)到76 ℃.而仿真分析中未考慮空濾受到增壓器近距離熱輻射炙烤從而影響內(nèi)部空氣升溫，而進(jìn)氣溫度變化又影響排氣側(cè)的增壓器溫度再次提升的復(fù)雜情況.考慮到進(jìn)氣溫度升高會引發(fā)的機(jī)艙整體熱害加劇問題以及高排氣溫帶來的NOx排放問題，則需要進(jìn)一步優(yōu)化：(1)將下蓋板導(dǎo)風(fēng)管后部的彎管結(jié)構(gòu)改為直管，將前部低溫的新鮮空氣送到空濾入口；(2)在增壓器與空濾之間添加隔熱罩，阻隔增壓器與高溫排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱輻射.

試驗(yàn)驗(yàn)證二次優(yōu)化后，OCV閥線束接頭處溫度有了明顯下降，如圖8中數(shù)據(jù)“二次優(yōu)化后OCV閥線束接頭”所示.對比最終結(jié)果，OCV閥線束接頭處的溫度有所下降，各測點(diǎn)溫度結(jié)果的最大誤差在6.9%以內(nèi)，見圖9，仿真分析結(jié)果的趨勢是正確的，仿真分析方法對設(shè)計(jì)開發(fā)有著一定的指導(dǎo)作用，驗(yàn)證了分析方法的可行性.

圖9 各測點(diǎn)溫度的仿真與試驗(yàn)值對比圖

5 結(jié) 論

1) 優(yōu)化后的機(jī)艙和底盤熱敏感元件均得到了有效的保護(hù).在不改變格柵造型、前艙布置設(shè)計(jì)的前提下，使排氣側(cè)懸置的上表面溫度下降了43.1%，座椅倉密封橡膠的溫度下降了23.3%，OCV閥線束接頭表面溫度下降了41%.

2) 試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，對比結(jié)果表明仿真和試驗(yàn)中測點(diǎn)表面溫度的最大誤差在6.7%以內(nèi)，仿真結(jié)果的趨勢正確，仿真分析方法對設(shè)計(jì)開發(fā)有著一定的指導(dǎo)作用.

3) 運(yùn)用熱流耦合計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)前艙、底盤子系統(tǒng)的熱保護(hù)分析，可以在設(shè)計(jì)開發(fā)中期對乘用車前艙、底盤的流動(dòng)和熱保護(hù)性能進(jìn)行直觀的描述和有效地評估，提高散熱問題的解決效率，減少試驗(yàn)次數(shù)，對于提升駕乘主觀感受、保護(hù)車載電氣系統(tǒng)、延長使用壽命、保障行車安全性、消除機(jī)艙或底盤過熱導(dǎo)致自燃的安全隱患等方面都具有積極的指導(dǎo)意義.

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Thermal Protection Optimization of a Commercial Vehicle Engine Compartment

WU Shaoning1)WANG Wei1)PENG Jing1)LYU Juncheng1)YANG Yu2)

(ShanghaiAutomotive-GeneralMotor-WulingAutomobileCo.,Ltd,Liuzhou545007,China)1)(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

In order to evaluate the under-hood and under-body thermal protect performance of the commercial vehicle, the vehicle thermal environment optimization is carried out with CFD Thermal Management methods, which provide convincible results by test. The highest temperature of mounts drops d to 71 degrees Celsius. Therefore, this simulation technique is a well suited tool to providing data support.

commercial vehicle; CFD; fmr layout; vehicle thermal protection

2016-07-24

U462.3 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.032

巫紹寧(1984- )：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)檎噭?dòng)力匹配與節(jié)能降耗