汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的研究與優(yōu)化

王東 韓鈺

（同濟(jì)大學(xué)）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的研究與優(yōu)化

王東 韓鈺

（同濟(jì)大學(xué)）

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊的散熱性能，對(duì)某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)情況進(jìn)行三維CFD仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)怠速工況下流過冷卻模塊熱空氣的動(dòng)能不足以克服冷卻模塊前后壓差而形成熱空氣回流，其為導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度過高的主要原因之一，進(jìn)而提出3種加設(shè)擋風(fēng)板的優(yōu)化方案。研究表明，3種優(yōu)化方案格柵進(jìn)氣利用率可達(dá)135.8%、135.9%及100%，散熱器實(shí)際散熱量分別提高12.1%、12.8%和26.6%，回流進(jìn)氣比例分別降低39.9%、40.5%和100%。

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)和熱環(huán)境十分復(fù)雜[1]，冷卻空氣流動(dòng)受到阻礙會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)高溫部件散熱不足，引起艙內(nèi)溫度過高，直接影響汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[2、3]，且發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱效率下降，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性下降、零件磨損加劇及熱量不平衡等問題。因此，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)和散熱性能的研究十分重要。

國(guó)內(nèi)、外在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能方面已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，Pascl Guerrero和Philippe Jouanny等人[4]總結(jié)了影響冷凝器和散熱器散熱性能的主要因素，提出從發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響的部件等方面進(jìn)行改進(jìn)；Peter Ambors和Ulf Essers[5]的研究發(fā)現(xiàn)，汽車在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在3種回流，即從車外部回流到車頭前方的外部回流、車內(nèi)部繞過前端部件回流到冷卻模塊前方的內(nèi)部回流以及冷凝器和散熱器內(nèi)部來回流動(dòng)的內(nèi)部回流；Shankar Natarajan、AdityaMulemane等人[6]的研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱空氣回流會(huì)嚴(yán)重影響冷卻模塊的散熱性能，由此引入再循環(huán)系數(shù)作為衡量熱回流的參數(shù)，并提出兩種計(jì)算熱循環(huán)系數(shù)的方法——用戶自定義標(biāo)量法和熱平衡法；Ashok Patidar[7]、張坤等人[8]的研究均發(fā)現(xiàn)，冷卻氣體回流是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙過熱的根本原因，防止熱空氣回流可提高冷卻性能，并提出在散熱器某一特定位置加阻風(fēng)板以防止冷卻氣體回流，但他們只研究了散熱器附近某一位置的局部回流，沒有考慮如何對(duì)整個(gè)冷卻模塊周圍的回流進(jìn)行優(yōu)化，且對(duì)回流問題及優(yōu)化

方案沒有深入的量化分析。

為提高冷卻模塊的散熱性能，本文對(duì)某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行三維CFD仿真，分析艙內(nèi)空氣流動(dòng)與熱環(huán)境狀況，對(duì)存在的熱回流問題進(jìn)行量化研究，并提出優(yōu)化方案。

2 計(jì)算模型與計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件排布緊密，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了能夠得到比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，仿真所用模型為比例為1∶1的全尺寸三維汽車模型，且模型盡量保留發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的所有關(guān)鍵部件，車身、底盤等部件也盡量保持真實(shí)的結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，適當(dāng)省去電子線束、空調(diào)管路等對(duì)流動(dòng)影響較小的細(xì)小部件。仿真模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格與邊界條件

由于空氣在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)受到外流場(chǎng)的影響，因此仿真采用適用于外流場(chǎng)的計(jì)算域，計(jì)算域尺寸為10倍車長(zhǎng)×5倍車寬×3倍車高。模型在Hy?permesh中劃分面網(wǎng)格后導(dǎo)入T-Grid中，計(jì)算域內(nèi)全部生成四面體非結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為480萬個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量skewness在0.96以下。三維計(jì)算域模型如圖2所示。

采用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值仿真，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型選擇可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型。計(jì)算域入口采用速度入口；計(jì)算域出口采用壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；空氣為理想氣體；風(fēng)扇采用多參考坐標(biāo)系（MRF）模型[9]；冷凝器設(shè)為多孔介質(zhì)；散熱器也設(shè)為多孔介質(zhì)，采用傳熱單元數(shù)法（NTU方法）進(jìn)行計(jì)算；環(huán)境溫度為40°C。

由于主要關(guān)注前端冷卻模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的影響，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真時(shí)只考慮冷凝器和散熱器的散熱作用，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它部件和底盤部件均作無熱邊界條件的固定壁面處理，且假設(shè)3種典型工況下散熱器的散熱量相同。以上簡(jiǎn)化不影響計(jì)算結(jié)果的可靠性和可信度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

仿真主要在3種典型工況下進(jìn)行，如表1所列。

表1 計(jì)算工況

在車速為3.6 km/h（怠速）的工況Ⅰ中，風(fēng)扇對(duì)空氣的流動(dòng)起很大作用。空氣在風(fēng)扇的抽吸作用下通過進(jìn)氣格柵流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，氣流經(jīng)過冷凝器和散熱器加熱后再通過風(fēng)扇。圖3為工況Ⅰ時(shí)的速度矢量圖?？梢钥闯?，被加熱后的氣流流過風(fēng)扇后，遇到發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的阻礙，部分氣體繞過冷卻模塊回到冷凝器前方，再次流入冷卻模塊；部分氣體向上流動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上方形成漩渦，導(dǎo)致熱空氣在此處滯留。

圖4為工況Ⅰ時(shí)的流線圖?？梢钥闯?，從冷卻模塊后方回流進(jìn)入冷凝器的空氣溫度較高，最高可達(dá)348 K?；亓鞯母邷貧怏w使流入冷卻模塊的空氣整體溫度升高，冷卻模塊的散熱性能下降。

圖5為工況Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度和壓力分布云圖?？梢钥闯?，空氣流過冷卻模塊后，溫度升高，冷卻模塊后方溫度高于前方，且由于空氣通過風(fēng)扇后壓力增大，冷

卻模塊后方形成一個(gè)高壓區(qū)，最高壓力達(dá)101 391 Pa，后方壓力高于冷卻模塊前方壓力，壓差為26 Pa。

圖6為工況Ⅰy=0截面Vx的分布圖。冷卻模塊后方空氣Vx值為3.5 m/s。由于克服壓差作用的是空氣動(dòng)能在x方向的分量，而此工況下Vx較小，單位質(zhì)量氣體在x方向上的動(dòng)能僅為6.84 J?？諝鈩?dòng)能不足以克服壓差，因此在空氣流到風(fēng)扇后方時(shí)，由于冷卻模塊前后存在溫度差和壓力差，空氣會(huì)從風(fēng)扇后方溫度和壓力較高的區(qū)域繞過冷卻模塊而流向冷凝器前方溫度和壓力較低的區(qū)域。

可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它部件的阻礙作用、溫差以及壓差的共同作用下，流過冷卻模塊的部分熱空氣向冷凝器前方流動(dòng)，形成熱空氣回流。此外，進(jìn)氣格柵內(nèi)側(cè)壓力會(huì)低于外側(cè)壓力，壓差對(duì)外界空氣流入格柵有推動(dòng)作用。怠速時(shí)由于存在回流，冷卻模塊前方空氣溫度較高，壓力也有所升高，導(dǎo)致格柵內(nèi)外側(cè)壓差減小，對(duì)格柵進(jìn)氣的推動(dòng)作用減弱，使格柵進(jìn)氣量減少。

熱空氣回流會(huì)導(dǎo)致流入冷卻模塊的冷空氣流量減少，被加熱的高溫氣體再次進(jìn)入散熱器，導(dǎo)致散熱量減少，散熱器散熱能力不能滿足要求，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能。在本文計(jì)算條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度均高于343 K，最高溫度出現(xiàn)在冷凝器和散熱器上方，可達(dá)370 K。在散熱器后方，發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻模塊之間以及發(fā)動(dòng)機(jī)上方都存在高溫區(qū)域。

當(dāng)模型處于工況Ⅱ和工況Ⅲ時(shí)，由于車速較高，基本不存在熱空氣回流再次進(jìn)入冷卻模塊的情況。這是由于車速較高時(shí)冷卻模塊前后壓差較低，車速工況降低，工況Ⅱ冷卻模塊前后壓差為10 Pa（圖7），而此時(shí)空氣的流速較高，冷卻模塊后方空氣Vx為4.5 m/s，單位質(zhì)量氣體在x方向上的動(dòng)能為10.1 J。

圖8為工況Ⅲy＝0截面速度、溫度及壓力圖?？芍?，冷卻模塊前后壓差為7 Pa，單位質(zhì)量氣體在x方向上的動(dòng)能為12.5 J。工況Ⅱ和工況Ⅲ下空氣的動(dòng)能足以克服壓差，因此不易形成回流。由圖7和圖8還可以看出，工況Ⅱ和工況Ⅲ部分被冷凝器和散熱器加熱后的氣體向后流動(dòng)，遇到發(fā)動(dòng)機(jī)等部件阻礙后在其周圍形成漩渦，導(dǎo)致熱空氣滯留。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度較怠速時(shí)低，最高溫度出現(xiàn)在冷凝器和散熱器上方，達(dá)到363 K以上。散熱器后方及發(fā)動(dòng)機(jī)上方存在高溫區(qū)域。

3種工況下均有部分從格柵進(jìn)入的氣體繞過冷卻模塊直接流向后方，使流入冷凝器和散熱器的冷空氣量減少，散熱器實(shí)際散熱量降低；但未流經(jīng)前端冷卻模塊的空氣溫度較低，速度較高，這部分空氣直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后方，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它高溫部件起到較好的冷卻作用。三元催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間氣體流速緩慢，此處熱量不能及時(shí)被冷空氣帶走，導(dǎo)致此區(qū)域溫度較高。此外，也有少量氣體從車底部流入冷卻模塊，而汽車底部流經(jīng)的冷空氣流量大、流速高，這些冷空氣大部分直接從車底流走，沒有對(duì)高溫部件起到冷卻作用。

4 優(yōu)化方案

通過整車模型的仿真結(jié)果可知，在怠速時(shí)熱空氣回流，阻礙進(jìn)入格柵的冷空氣流入冷卻模塊，對(duì)冷卻模塊的冷卻性能產(chǎn)生較大影響，容易導(dǎo)致散熱器散熱不足，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過高。

熱空氣回流產(chǎn)生的原因是冷卻模塊前后存在壓差和溫差以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它部件對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙，為減少回流，提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能，可采取降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度、在下護(hù)板打孔等措施。綜合考慮空間、成本等影響因素，提出在前端冷卻模塊周圍加裝擋風(fēng)板的優(yōu)化方案，所提出的3種擋風(fēng)板設(shè)計(jì)方案如圖9所示，其中方案1在冷凝器四周加擋風(fēng)板，擋風(fēng)板與車身前端進(jìn)氣格柵之間留有一定距離；方案2僅在冷凝器下方加裝擋風(fēng)板；方案3在冷凝器四周加擋風(fēng)板，且擋風(fēng)板與進(jìn)氣格柵區(qū)域相連接，使從格柵進(jìn)入的氣體可全部流入前端冷卻模塊。

5 優(yōu)化結(jié)果分析

5.1 評(píng)價(jià)參數(shù)

散熱器實(shí)際散熱量：散熱器性能曲線表示的是散熱器在特定測(cè)試條件下的散熱能力。散熱器在整車中的實(shí)際工作環(huán)境與測(cè)試條件不同，實(shí)際散熱量也會(huì)發(fā)生變化，為此以散熱器在整車環(huán)境中不同工況下的實(shí)際散熱量來評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能。

格柵進(jìn)氣利用率[8]：汽車前端的結(jié)構(gòu)變化會(huì)引起格柵進(jìn)氣量以及進(jìn)入冷卻模塊的空氣流量的變化，因此引入格柵進(jìn)氣利用率來評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能。格柵進(jìn)氣利用率定義為經(jīng)過冷卻模塊的空氣占由格柵進(jìn)入的空氣的比例。格柵進(jìn)氣利用率越接近100%，證明從格柵流入的冷卻空氣越能被充分利用。

回流進(jìn)氣比例：回流進(jìn)氣比例表示進(jìn)入冷卻模塊的熱空氣回流量占冷卻模塊總進(jìn)氣量的百分比。由于所用模型冷凝器與散熱器之間以及散熱器與風(fēng)扇之間均密封，因此冷卻模塊總進(jìn)氣量即為冷凝器進(jìn)氣量?；亓鬟M(jìn)氣比例越大，即流入冷卻模塊的氣體中從后方回流的熱空氣越多，進(jìn)入冷卻模塊的空氣整體溫度就越高，導(dǎo)致冷卻模塊散熱不足。

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

將改進(jìn)方案在工況Ⅰ下進(jìn)行仿真，得到速度矢量圖和溫度分布云圖如圖10和圖11所示。

由圖10a可知，方案1部分回流的熱空氣受到冷卻模塊周圍擋風(fēng)板的阻擋，不會(huì)再次流入冷凝器，流入冷卻模塊空氣的平均溫度降低，能夠帶走更多的熱量（圖11a），冷凝器和散熱器的高溫區(qū)域減小，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)整體溫度明顯降低，最高溫度為360 K，散熱器散熱量較原方案增加12.1%。此方案擋風(fēng)板與進(jìn)氣格柵之間存在一定間隙，因此從格柵進(jìn)入的空氣有一部分從冷卻模塊周圍繞過，未經(jīng)過冷凝器和散熱器直接流向后方，這部分空氣速度較高、溫度較低，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它高溫部件有較好的冷卻作用。

由圖10b可知，方案2僅冷卻模塊下方裝有擋風(fēng)板，能夠有效阻擋下方的熱空氣回流，且從下方格柵進(jìn)入的空氣全部流入冷凝器。與原方案相比，方案2散熱器散熱量增加12.8%，且由圖11b可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫區(qū)域明顯變小，且整體溫度降低，最高溫度為355 K；由于上方?jīng)]有擋風(fēng)板，因此上方仍存在部分回流，從上方格柵流入的部分冷空氣繞過冷卻模塊直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)而冷卻艙內(nèi)其它高溫部件。

由圖10c可知，方案3由于冷卻模塊四周的擋風(fēng)板與進(jìn)氣格柵相連，可以完全阻擋回流的熱空氣，且從格柵進(jìn)入的冷空氣全部進(jìn)入冷卻模塊，流入冷卻模塊的空氣全部為外界流入的冷空氣，空氣溫度基本等于環(huán)境溫度，因此可較好的冷卻冷凝器和散熱器，且由圖11c可以看出，冷凝器與散熱器溫度分布較均勻，且均低于358 K，較無擋風(fēng)板時(shí)溫度明顯降低，散熱器實(shí)際散熱量增加26.6%。方案3進(jìn)入格柵的空氣全部流經(jīng)冷凝器和散熱器，溫度升高，速度下降，被加熱后的空氣經(jīng)過風(fēng)扇繼續(xù)向后流動(dòng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其它高溫部件的溫差較小，對(duì)其冷卻效果相對(duì)較差。

表2為原方案與優(yōu)化方案的參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，原方案格柵進(jìn)氣利用率高達(dá)218.3%，即進(jìn)入冷卻模塊的氣體中格柵進(jìn)氣只占45.9%，其余氣體為少量從汽車底部流入的空氣以及大量回流的熱空氣。大量回流的熱空氣再次流入冷卻模塊，導(dǎo)致冷卻模塊散熱性能降低。

表2 參數(shù)對(duì)比表

加擋風(fēng)板后，阻擋了回流的熱空氣，3種方案的回流空氣比例分別降低39.9%、40.6%和100%?；亓骺諝獾臏p少使冷凝器前方空氣溫度降低、壓力減小，從而使格柵兩側(cè)的壓差增大，對(duì)進(jìn)氣的推動(dòng)作用增強(qiáng)，使格柵進(jìn)氣量明顯增大，格柵進(jìn)氣利用率接近100%。冷凝器入口的進(jìn)風(fēng)溫度也明顯降低。方案3可完全阻斷熱空氣回流，因此其進(jìn)風(fēng)溫度最低，基本等于環(huán)境溫度，出風(fēng)溫度較原方案也有所降低，散熱器的實(shí)際散熱量明顯提高。

3種改進(jìn)方案相比，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最高溫度均出現(xiàn)在散熱器上部，且方案3溫度最低，方案2最高；冷卻模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)之間以及發(fā)動(dòng)機(jī)上方的溫度，方案3高于方案1和方案2。可見，對(duì)提高冷卻模塊的冷卻效果而言，3種方案均有明顯改善，且方案3最優(yōu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能，本文通過在3種典型工況下對(duì)某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維CFD仿真模擬，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)和熱環(huán)境情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在的熱回流問題進(jìn)行量化分析和優(yōu)化，得出在冷卻模塊周圍加擋風(fēng)板，可有效阻止熱空氣回流，提高冷卻模塊的散熱性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境的結(jié)論。

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車前端進(jìn)氣數(shù)值模擬中的比較.計(jì)算機(jī)輔助工程，2007，16（3），96～100.

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（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月14日。

Research and Optimization of Automobile Engine Compartment Heat Dissipation Performance

Wang Dong,Han Yu
（Tongji University）

To improve the heat dissipation performance of engine compartment cooling module,a 3D CFD simulation research on the air flow in a passenger car engine compartment is performed.It is found from the simulation that kinetic energy of hot air flowing through the cooling module in idling condition is not sufficient to overcome the front/rear differential pressure of the cooling module,thus hot air backflow is formed,which is one of the main causes of overheat in the engine compartment.Accordingly,three optimizations of adding air baffle are proposed to reduce hot air circumfluence in engine compartment.The results show that intake air utilization rate of those three optimizations are 135.8%、135.9%and 100%respectively,practical heat dissipation of the radiator are improved by 12.1%、12.8%and 26.6%respectively,whereas intake air backflow proportion are reduced by 39.9%、40.5%and 100%.

Engine compartment,Cooling module,Heat dissipation

發(fā)動(dòng)機(jī)艙 冷卻模塊 散熱性能

U464

A

1000-3703（2015）12-0034-06