某型SUV空-空中冷器內(nèi)部流動(dòng)換熱研究*

邱颯蔚，王震虎，廖 斌，夏二立，李落星

（1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；3.重慶長(zhǎng)安汽車歐尚研究院，重慶 400023）

前言

隨著汽車新排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，渦輪增壓技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的普遍應(yīng)用已成為當(dāng)前時(shí)代的一種主流。據(jù)資料表明：汽車加裝渦輪裝置后，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率最多可提升20%，且發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、廢氣排放物____和燃油消耗率均得到有效降低［1］；但渦輪增壓后，空濾進(jìn)氣如果未經(jīng)充分冷卻進(jìn)入燃燒室則存在缸內(nèi)溫度過(guò)高產(chǎn)生缸裂、缸爆等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致廢氣排放物濃度增加［2］。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行充分冷卻是保證汽車工作性能穩(wěn)定的有效途徑。

空-空中冷器由于具備傳熱效率高、制造成本低、防泄漏性能好等優(yōu)點(diǎn)［3］，現(xiàn)已成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要的渦輪增壓冷卻系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)汽車空-空中冷器的研究主要集中在單體流動(dòng)傳熱性能方面，分析不同結(jié)構(gòu)的冷卻扁管與翅片對(duì)中冷器流動(dòng)傳熱的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響［4-6］；或在整車上研究中冷器散熱對(duì)機(jī)艙熱害的影響，且僅以冷流側(cè)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)判［7］。而基于整車同時(shí)考慮機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、零部件布置和中冷器進(jìn)氣管道對(duì)中冷器內(nèi)部流動(dòng)換熱的研究鮮見報(bào)道。

本文中運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)理論基于STARCCM＋軟件對(duì)某型SUV中冷器建立三維雙流體模型，在整車CFD模型上對(duì)空-空中冷器內(nèi)部流動(dòng)換熱進(jìn)行研究，分析不同行駛工況下中冷器冷流與熱流內(nèi)部速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。另外，采用一維與一維／三維聯(lián)合分析方法對(duì)中冷器冷流與熱流出口溫度結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，并通過(guò)環(huán)境艙熱管理試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 整車CFD分析模型的建立

1.1 基本控制方程與換熱理論

由于汽車在不同行駛工況下車速與當(dāng)?shù)芈曀俦戎档陀?.3，在CFD仿真中可把空氣假設(shè)為不可壓縮連續(xù)流體［8］。根據(jù)機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜空氣流動(dòng)特性，對(duì)流體力學(xué)控制方程進(jìn)行求解。中冷器內(nèi)部換熱遵循冷熱流之間熱平衡，以雙流體局部換熱數(shù)學(xué)模型計(jì)算。求解中采用的基本控制方程如下［9-10］。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；ui為流體在各個(gè)方向的速度矢量，i分別代表方向 x，y，z。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中：u為微元體速度矢量；p為流體在微元體上的壓力；j與i含義相同；τij為微元體黏性應(yīng)力τ的分量；Si為微元體在各方向的動(dòng)量源項(xiàng)。

（3）能量守恒方程

式中：T為溫度；k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；cp為流體比熱；ST為黏性耗散項(xiàng)。

（4）雙流體局部換熱數(shù)學(xué)模型

式中：UAL為雙流體中局部傳遞系數(shù)；C0，C1和 C2為通過(guò)最小二乘回歸擬合UAL表獲得的系數(shù)；Vc和Vh分別為冷流與熱流速度；ec和eh分別為冷流和熱流指數(shù)，一般默認(rèn)為0.8。

1.2 CFD仿真模型與網(wǎng)格劃分

整車CFD分析模型包括整車車身、外飾、電器、底盤和動(dòng)力5大總成模型。為真實(shí)反映機(jī)艙內(nèi)各零部件對(duì)中冷器周邊流場(chǎng)的影響，盡量保持機(jī)艙內(nèi)完整特征。圖1為某SUV冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙視圖。STAR-CCM＋由于具備強(qiáng)大的前處理功能，通過(guò)設(shè)置合理網(wǎng)格尺寸對(duì)整車數(shù)據(jù)進(jìn)行包面與重構(gòu)，采用切割體生成整車體網(wǎng)格，并對(duì)機(jī)艙與底盤局部加密，生成體網(wǎng)格后數(shù)量約為2 000萬(wàn)，圖2（a）為整車風(fēng)洞仿真模型，圖2（b）為同一坐標(biāo)系Y＝0截面（車寬正中間）整車體網(wǎng)格示意圖。

圖1 冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙

圖2 整車三維CFD仿真模型

1.3 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

為減少洞壁效應(yīng)，仿真風(fēng)洞選用經(jīng)驗(yàn)尺寸，長(zhǎng)、寬、高分別為13倍車長(zhǎng)、15倍車寬、8倍車高，其中車前距離為3倍車長(zhǎng)，車后距離為9倍車長(zhǎng)，車左與車右距離各為7倍車寬。入口類型設(shè)為速度入口，出口類型設(shè)為壓力出口，出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。風(fēng)洞地面與兩側(cè)都設(shè)為滑移壁面以降低壁面剪切力的影響。鑒于機(jī)艙內(nèi)零部件本身及相互之間的復(fù)雜布置，采用合適的Realizable k-ε湍流模型，壁面采用兩層 all y＋設(shè)置［11-12］。中冷器、冷凝器和散熱器設(shè)置為多孔介質(zhì)，慣性阻力系數(shù)Pi和黏性阻力系數(shù)Pv由供應(yīng)商提供的參數(shù)擬合得到。風(fēng)扇采用MRF（moving reference frame）模型模擬。根據(jù)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，主機(jī)廠典型分析工況為10%爬坡、6%爬坡和高速工況，環(huán)境溫度為40℃，分析參數(shù)輸入如表1所示。

1.4 空-空中冷器雙流體換熱模型

空-空中冷器雙流體換熱模型包括空氣外側(cè)冷流和內(nèi)側(cè)熱流兩部分，其熱交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3（a）所示［10］，共包含6個(gè)區(qū)域，分別為冷流進(jìn)口、冷流芯體、冷流出口、熱流進(jìn)口、熱流芯體和熱流出口。冷流芯體與熱流芯體通過(guò)貼合程度較好分布較均勻的切割體組成，兩者完全共形匹配并在兩者之間創(chuàng)建熱交換器以確保最大限度傳遞冷熱流之間熱量，中冷器三維雙流體模型如圖3（b）所示。

圖3 雙流體熱交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和仿真模型

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況起動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，中冷器進(jìn)氣溫度和流量變化較?。?3］，故使用該車型中冷器在不同穩(wěn)定工況點(diǎn)數(shù)據(jù)作為穩(wěn)態(tài)邊界輸入，如表2所示。中冷器換熱參數(shù)由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架單體試驗(yàn)獲取，如圖4所示。

表2 中冷器參數(shù)輸入

圖4 中冷器單體換熱曲線

2 中冷器一維／三維聯(lián)合仿真模型

發(fā)動(dòng)機(jī)一維冷卻系統(tǒng)模型包括空氣外側(cè)和冷卻內(nèi)側(cè)兩部分?？諝馔鈧?cè)基于流線理論由壓力系數(shù)Cp值、換熱模塊（中冷器、冷凝器和散熱器）、風(fēng)扇、機(jī)艙內(nèi)阻BIR（built in resistances）等部件構(gòu)成，冷卻內(nèi)側(cè)由冷卻液和潤(rùn)滑油等環(huán)路構(gòu)成。在KULI傳統(tǒng)一維冷卻模型中，往往沒(méi)有考慮中冷器表面不同速度分布對(duì)內(nèi)部流動(dòng)換熱的影響。為了提高傳統(tǒng)一維冷卻模型仿真精度，在原模型基礎(chǔ)上把中冷器分割成許多離散單元，將整車CFD中冷器表面速度分析結(jié)果以阻尼矩陣的方式導(dǎo)入，建立一維／三維空氣外側(cè)聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

圖5 一維／三維空氣外側(cè)聯(lián)合仿真模型

空氣側(cè)Cp值由整車CFD仿真模型分析獲得，機(jī)艙內(nèi)阻BIR通過(guò)設(shè)定中冷器目標(biāo)進(jìn)風(fēng)量標(biāo)定求解，一維冷卻內(nèi)側(cè)環(huán)路模型如圖6所示。

3 仿真結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 中冷器冷流與熱流速度場(chǎng)分析

圖6 一維冷卻內(nèi)側(cè)環(huán)路模型

根據(jù)圖2中建立的整車三維CFD仿真模型，仿真得到車輛在不同工況下中冷器冷流入口端速度場(chǎng)分析結(jié)果，如圖7所示。3個(gè)工況下，中冷器迎風(fēng)面速度場(chǎng)分布相似，且總體增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。其中在高速工況表面速度最高，10%爬坡工況表面速度最低。中冷器正前方由于格柵條、機(jī)艙線束、ACC控制器等部件的遮擋，使中間迎風(fēng)氣流受阻，在迎風(fēng)面上形成了中間流速低、兩端流速高的現(xiàn)象。

圖7 不同分析工況中冷器冷流迎風(fēng)面速度場(chǎng)

圖8 為Z＝45 mm截面上整車在不同工況下中冷器熱流內(nèi)部速度場(chǎng)分布云圖。從圖8可看出：熱流通過(guò)進(jìn)口段與出口段時(shí)，由于沒(méi)有內(nèi)部芯體阻尼的作用，氣流流速較大，當(dāng)經(jīng)過(guò)中間段時(shí)，受內(nèi)部芯體阻尼影響，氣流流速較低。另外，借助氣流矢量方向可看出，在入口段存在渦流，這會(huì)導(dǎo)致熱流進(jìn)氣不暢通，影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率。為清晰查看熱流入口段渦流現(xiàn)象，對(duì)渦流進(jìn)行局部放大，如圖9所示。

在不同工況下，對(duì)中冷器冷流與熱流入口端平均進(jìn)氣速度進(jìn)行了對(duì)比，如圖10所示。中冷器冷流流速在10%爬坡與6%爬坡之間，進(jìn)氣速度増長(zhǎng)緩慢，而在6%爬坡與高速之間進(jìn)氣速度增加較快，可得中冷器冷流進(jìn)氣速度與車速呈非線性遞增關(guān)系。然而，中冷器熱流流速在上述3個(gè)工況中，進(jìn)氣速度首先降低然后上升，這與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。

圖8 不同分析工況中冷器熱流內(nèi)部速度場(chǎng)

圖9 不同分析工況熱流入口段渦流局部放大圖

圖10 不同工況中冷器冷流與熱流平均速度

3.2 中冷器冷流與熱流溫度場(chǎng)分析

圖11 為Z＝45 mm截面上整車在不同工況下中冷器冷流內(nèi)部溫度場(chǎng)分析結(jié)果。3個(gè)工況下，冷流內(nèi)部總體溫度分布趨勢(shì)一致。中間段由于速度較小，冷卻進(jìn)氣不足，從而引起溫度較高。圖12為Z＝45 mm截面上整車在不同工況下中冷器熱流內(nèi)部溫度場(chǎng)分析結(jié)果。從熱流進(jìn)口端至出口端，熱流依次得到冷卻，且溫度分布相似。從圖12（b）中看出：6%爬坡工況熱流進(jìn)氣冷卻效果比其他工況好，體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣冷卻不僅與行駛工況有關(guān)，而且與發(fā)動(dòng)機(jī)載荷狀態(tài)有關(guān)。

3.3 中冷器冷流與熱流壓力場(chǎng)分析

圖11 不同工況中冷器冷流內(nèi)部溫度場(chǎng)

圖12 不同工況中冷器熱流內(nèi)部溫度場(chǎng)

圖13 不同工況中冷器冷流內(nèi)部壓力場(chǎng)

圖13 為Z＝45 mm截面上整車在不同工況下中冷器冷流內(nèi)部壓力場(chǎng)分析結(jié)果。對(duì)比可知：中冷器冷流內(nèi)部壓力場(chǎng)隨分析工況車速的升高逐漸變大，總體增長(zhǎng)趨勢(shì)一致；高速工況下冷流內(nèi)部壓力場(chǎng)最大，10%爬坡工況內(nèi)部壓力場(chǎng)最低；中冷器正前方由于氣流流速受阻，產(chǎn)生動(dòng)量損失，引起了冷流內(nèi)部壓力中間低，兩端高。

圖14為Z＝45 mm截面上整車在不同工況下中冷器熱流內(nèi)部壓力場(chǎng)分布云圖。3種工況下，熱流內(nèi)部靜壓分布相似，靜壓最高區(qū)域出現(xiàn)在入口拐角處，靜壓最低區(qū)域則出現(xiàn)在出口段，并且由入口至出口方向靜壓顯著降低。另外，在每個(gè)分析工況下中冷器出口段轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)了局部負(fù)壓區(qū)，存在出氣倒吸風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率。

圖14 不同分析工況中冷器熱流內(nèi)部壓力場(chǎng)

3.4 中冷器仿真結(jié)果對(duì)比和試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)不同整車工況下的中冷器冷流與熱流出口溫度，分別對(duì)比了一維、三維和一維／三維仿真分析結(jié)果，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求在環(huán)境艙對(duì)該試驗(yàn)車中冷器進(jìn)行了熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖15所示。其中圖15（a）為拆除前保險(xiǎn)杠后，中冷器風(fēng)速儀和熱電偶線布置示意圖；圖15（b）為溫度測(cè)量?jī)x，中冷器進(jìn)氣和出氣溫度傳感器布置在對(duì)應(yīng)管道內(nèi)。

圖15 中冷器環(huán)境艙熱管理試驗(yàn)

3.4.1 冷流出口溫度對(duì)比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

10%爬坡工況下，利用傳統(tǒng)一維冷卻模型、三維整車CFD模型和一維／三維聯(lián)合模型，分別仿真獲得各模型冷流出口表面溫度，結(jié)果如圖16所示。對(duì)比可知：在這3種分析結(jié)果中，冷流出口表面溫度分布從右至左總體呈降低趨勢(shì)，其中三維與一維溫度分布結(jié)果相差較大，一維分析結(jié)果呈梯度均勻下降；而三維與一維／三維溫度分布結(jié)果較為接近，這是由于在一維／三維分析模型中存在速度阻尼矩陣，考慮了中冷器表面速度分布不均對(duì)內(nèi)部流動(dòng)換熱的影響。

圖16 10%爬坡工況中冷器冷流出口溫度

圖17 為3個(gè)分析工況下利用一維、三維、一維／三維和試驗(yàn)4種分析方法獲得的中冷器冷流平均出口溫度。10%爬坡工況下冷流出口溫度最高，高速工況下最低。冷流出口仿真溫度與試驗(yàn)相對(duì)誤差如表3所示。由表3可知：不同分析工況下，一維／三維仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最接近，最大相對(duì)誤差為-0.7%；其次為一維分析結(jié)果，與試驗(yàn)最大相對(duì)誤差為-2.6%；三維分析結(jié)果與試驗(yàn)相差最大，最大相對(duì)誤差為4.6%。

圖17 不同工況中冷器冷流平均出口溫度對(duì)比

表3 冷流平均出口溫度仿真與試驗(yàn)相對(duì)誤差

3.4.2 熱流出口溫度對(duì)比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

圖18為3個(gè)分析工況下利用4種分析方法獲得的中冷器熱流平均出口溫度。10%爬坡工況下熱流出口溫度最高，6%爬坡工況出口溫度最低。中冷器熱流出口仿真溫度與試驗(yàn)相對(duì)誤差如表4所示。由表4可知：一維、三維和一維／三維仿真結(jié)果與試驗(yàn)最大相對(duì)誤差分別為-1.9%、3.7%和-1.2%。對(duì)比結(jié)果表明，一維／三維聯(lián)合分析仿真結(jié)果精度最高，三維分析結(jié)果誤差相對(duì)較大，但在可接受的范圍內(nèi)。

圖18 不同工況中冷器熱流平均出口溫度對(duì)比

表4 熱流平均出口溫度仿真與試驗(yàn)相對(duì)誤差

綜合分析，上述3種仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比總體趨勢(shì)一致，其中一維和一維／三維分析結(jié)果比試驗(yàn)值稍低，最大相對(duì)誤差分別為-2.6%和-1.2%，而三維分析結(jié)果總體趨勢(shì)比試驗(yàn)值稍高，最大相對(duì)誤差為4.6%，說(shuō)明一維、三維和一維／三維分析模型都是簡(jiǎn)化的參數(shù)模型，與實(shí)際中冷器有一定差別。該結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了一維／三維聯(lián)合分析方法可以提高仿真精度，同時(shí)也驗(yàn)證了三維雙流體模型用于預(yù)測(cè)中冷器內(nèi)部冷流與熱流溫度分析的可行性。

4 結(jié)論

基于整車采用三維雙流體模型對(duì)空 空中冷器進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)換熱研究，可直觀分析中冷器冷流和熱流內(nèi)部速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，能夠有效預(yù)測(cè)內(nèi)部流場(chǎng)渦流的存在和局部高低溫區(qū)與壓力區(qū)的分布，得出結(jié)論如下。

（1）機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜零部件的布置和行駛工況直接影響中冷器內(nèi)部速度場(chǎng)的分布，同時(shí)間接影響中冷器冷流內(nèi)部溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的分布。

（2）中冷器熱流內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布主要由發(fā)動(dòng)機(jī)載荷狀態(tài)和中冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，而溫度場(chǎng)分布還與行駛工況外部進(jìn)氣冷卻有關(guān)。

（3）在一維、三維和一維／三維3種仿真分析方法中，三維與一維／三維溫度分布結(jié)果較為接近。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出一維／三維聯(lián)合分析方法精度最高，三維分析結(jié)果誤差相對(duì)較大，但最大相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了三維雙流體模型用于預(yù)測(cè)中冷器冷流與熱流溫度分析的可行性，便于為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率提高與中冷器內(nèi)部換熱研究提供參考。