基于Flowmaster的冷卻系統(tǒng)仿真研究

劉 濤,張 明,王廣基

(1.一汽海馬汽車有限公司,?？?570216; 2.上海?；⒃畔⒖萍加邢挢熑喂?上海 200235)

汽車發(fā)動機艙是個半封閉的空間,發(fā)動機工作時艙內(nèi)溫度較高,一方面艙內(nèi)各種材料的零部件如橡膠件、線束對溫度有一定的要求[1];另一方面發(fā)動機本身需要適當?shù)纳?以保證在各種工況下都具有最佳的動力性和經(jīng)濟性[2].當前,評價發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱能力的方法有3種:① 道路試驗,這是最直接、最簡單的方法,但是周期長、耗資大,在某一工況下,試驗的可重復性差[2].② 環(huán)境艙臺架模擬試驗,采用這樣的方法評價比較全面,量化程度高,但對試驗設備的要求較高.以上兩種方法,都是建立在散熱系統(tǒng)的實物基礎上.③ 計算機仿真分析,在樣件、實車還沒有生產(chǎn)出來前,先建立相應的數(shù)學模型,借助軟件就能對建立的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行散熱性能的評估,這樣會大大節(jié)省工程設計的時間和經(jīng)費[3-4].在整車項目開發(fā)中,發(fā)動機機艙熱仿真是一項非常重要的工作,本文依據(jù)某車型1.5T發(fā)動機艙熱管理背景,采用Flowmaster軟件對該車型的冷卻系統(tǒng)進行匹配分析[5]，找出系統(tǒng)存在的問題并給出優(yōu)化方案.通過優(yōu)化前后試驗的結果比較,證實了優(yōu)化方案的可行性.

1 仿真對象

該車型采用1.5T發(fā)動機,系統(tǒng)由散熱器、風扇、水泵、節(jié)溫器、膨脹水箱、暖風散熱器以及相應的管路組成.在冷卻系統(tǒng)仿真設計中,必須要考慮冷卻系統(tǒng)中各流體系統(tǒng)之間的影響,故在仿真模型中,對冷凝器、中冷器也進行了建模.該冷卻系統(tǒng)的結構布置圖如圖1所示.

2 模型標定及仿真

2.1 計算模型

根據(jù)冷卻系統(tǒng)結構布置圖,在Flowmaster軟件中搭建模型,如圖2所示.

圖1 冷卻系統(tǒng)CAD圖Fig.1 CAD graphical of cooling system

圖2 冷卻系統(tǒng)模型圖Fig.2 Computational model of cooling system

2.2 邊界條件

該計算邊界參數(shù)分為系統(tǒng)和元件參數(shù).

系統(tǒng)參數(shù):冷卻液,Glycol/Water 50/50;大氣壓力,101.325 kPa;計算類型:Heat Transfer Transient瞬態(tài)計算;模擬時間:3 600 s;模擬步長:1 s.

2.3 計算工況

本文對某車型1.5T發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行模擬,根據(jù)試驗標準標定的3個工況,對3個整車工況進行瞬態(tài)分析,3個工況的參數(shù)如表1所示.

表1 仿真工況參數(shù)Tab.1 Working condition parameter of simulation

2.4 仿真結果分析與仿真對標

通過仿真分析,我們可以了解幾個工況的冷卻系統(tǒng)工作循環(huán)過程,如圖3～圖5所示.

從圖3可看出,高速工況時水套水溫在327 s內(nèi)急劇上升,此時節(jié)溫器尚未開啟,冷卻液吸收的熱量全部用來提高冷卻液本身的溫度.327 s后,節(jié)溫器開啟,在1 500 s時節(jié)溫器開度穩(wěn)定在0.966,此時水套水溫也達到平衡值97.97 ℃.

圖3 高速工況工作循環(huán)Fig.3 Working cycle of high speed condition

圖4 9%爬坡工況工作循環(huán)Fig.4 Working cycle of 9% slope condition

由圖4可看出,9%爬坡工況節(jié)溫器在336 s后開啟,在555 s時就達到了最大開度1,此后水套水溫緩慢上升直至達到平衡值109.92 ℃.

圖5 15%爬坡工況工作循環(huán)Fig.5 Working cycle of 15% slope condition

從圖5可以看出,15%爬坡工況節(jié)溫器在266 s后開啟,在425 s時就達到了最大開度,此后水套水溫開始緩慢上升直至達到平衡值128.64 ℃

我們通過試驗標準進行了熱平衡試驗,具體的對標結果如表2所示.

表2 仿真對標Tab.2 Comparison of simulation and test results

其中在15%爬坡工況試驗中,因樣車發(fā)動機出水溫度超過了許用溫度,因此在水溫剛達到120 ℃就停止了試驗.從表2可看出,3個工況的仿真結果和試驗結果誤差均在5%以內(nèi),驗證了仿真模型的準確性.

在15%爬坡工況時,由于發(fā)動機轉速高且發(fā)動機負荷較大,發(fā)動機產(chǎn)生的熱量相對較大,而此時車速相對較低,因此通過散熱器的空氣流量較小,導致發(fā)動機產(chǎn)生的熱量不能被及時冷卻,造成冷卻液溫度升高,由表2可知,該工況的發(fā)動機出口水溫已經(jīng)開鍋.在高速工況時,由于車速較高,有更多的空氣流經(jīng)散熱器,從而能更有效發(fā)揮散熱器的散熱能力,使發(fā)動機在較為合適的冷卻液溫度下工作.

3 優(yōu)化方案及計算結果

計算和試驗都表明,15%爬坡發(fā)動機水套出水溫度已經(jīng)“開鍋”.重點分析15%爬坡工況計算結果,并與競品車型進行對比,如表3所示.

表3 車型對比表Tab.3 Comparison of different vehicles

通過表3分析發(fā)現(xiàn)存在以下問題:① 通過散熱器的風量偏小;② 散熱器的水阻偏大,導致通過散熱器的冷卻液流量偏小.因此,主要從這兩方面進行了優(yōu)化:① 增加風量,因格柵造型已凍結,不能加大進氣面積,通過加大風扇轉速來提高風量;② 提高散熱器的散熱效率,選用水阻小的散熱器.

綜合采用以上兩個方案,對15%工況重新進行計算,結果如圖6所示.

圖6 15%工況發(fā)動機水溫變化圖Fig.6 Engine coolant temperature under15% slope condition

由圖6可知,采納優(yōu)化方案后,發(fā)動機水套出水溫度降為114.88 ℃,滿足熱平衡要求.

4 優(yōu)化方案試驗驗證

根據(jù)之前的優(yōu)化方案做出樣件重新進行熱平衡試驗驗證,得出的結果如表4所示.

表4 試驗結果對標Tab.4 Comparison of test results and simulation ℃

從表4可看出,采取優(yōu)化方案后,15%爬坡工況的發(fā)動機出口水溫下降到許可溫度以下,符合熱平衡要求,試驗結果與仿真值誤差也較小,說明優(yōu)化方案是可行有效的.

5 結論

通過對某車型冷卻系統(tǒng)仿真研究的結果,得出以下結論:① 預測并驗證了整車冷卻系統(tǒng)熱性能,并通過零部件匹配分析,解決了實際車輛部分工況下過熱的問題;② 基于Flowmaster建立的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型,可以有效地模擬冷卻系統(tǒng)工作循環(huán)過程、熱平衡狀態(tài),從而進行冷卻系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化,縮短了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本.

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