CFD在汽车发动机舱热管理领域的应用

近年来，汽车自燃的现象时有发生，这是由于汽车发动机舱散热不及时造成的。汽车发动机舱内空间狭小，内部错综复杂地布置着发动机、风扇、散热器、排气歧管、空调冷凝器、中冷器等众多部件。各个零件及子系统在整车热环境中相互影响，空气流动非常复杂，导致舱内散热不畅，致使机舱温度升高，直接影响相关零部件性能，温度过高时有可能导致部件损坏甚至是发生自燃等现象。

在这种困难的情况下，如何合理布置机舱零部件，避免发动机舱内形成流动死区和局部高温区，这些都对设计人员提出了巨大挑战。传统的设计方法是单纯的依靠试验来解决，难度比较大，费用高，而且周期相对也比较长。计算流体动力学（CFD）已经广泛应用于汽车发动机舱的热分析中，用于分析发动机舱内的流动特性和温度分布，为舱内冷却系统设计和零部件布置提供指导意见。

发动机舱涉及到多种换热形式：部件内部产热、高温部件的热辐射、零部件内部导热、零部件与流体之间的对流换热等。ANSYS FLUENT含有常见的各种类型的传热问题，既包括简单的导热/对流问题，也包括传热和流动的耦合计算，以及比较复杂的浮力驱动流动/自然对流和辐射传热问题。便捷的附加源项和完备的热边界条件，能够满足对流、导热、辐射以及混合换热等多种换热方式的需求，可以快速地完成相应换热问题的建模过程。

首先考虑汽车在低速负载爬坡的极端工况。此状态下，FLUENT模型耦合一维的冷却系统模型和一维发动机模型，考虑系统级的边界条件和性能匹配，可以精确地预测发动机舱内关键位置的气流和温度分布。

图1 一维发动机模型

图2 发动机机舱内温度分布

表1 发动机机舱内关键位置温度分布

当汽车经过长时间的低速爬坡后，突然关闭发动机和冷却风扇，发动机舱内会发生热浸现象。此时，发动机舱内的散热主要依靠自然对流形式。采用瞬态仿真模拟机舱的散热过程，可以观察舱内温度随时间的变化过程。

图3 发动机机舱内流线分布

图4 发动机机舱内典型高温部件温度随时间的变化曲线