基于一维/三维耦合分析的某MPV整车热管理分析与优化

宝怡

2023年9月12日 11:06

浏览：2368 收藏：1

摘要：对整车的机舱进行热管理的研究和开发有利于保证汽车高效性、可靠性。运用一维/三维耦合分析的方法并借助流体分析软件star ccm+进行三维机舱流场仿真，获得机舱内各模块的风量情况，然后以此作为FLOWmaster软件的边界条件进行一维仿真。通过仿真得到相应的冷却散热模块的换热量等参数，输入这些参数对三维模型进行温度场的分析。对不足之处提出相应的改进方案，保证机舱内的关健零部件在温度许可范围内工作。对改进后能满足要求的优化方案进行验证并进行热平衡试验。结果显示：试验数据与仿真分析结果一致性较高，仿真优化的方案切实可行。

1 模型建立及分析

1.1 三维模型建立与机舱流场分析

发动机舱热管理的主要分析对象为其舱内的零部件,为了提高效率,清除不必要的特征，删掉了乘员舱的零部件，严格控制好几何边界。同时，为了真实反映气流在发动机舱内结构复杂的条件下的流动特性，需要尽可能保证机舱内的零部件功能正常发挥，本研究最大限度保留原有各零部件完成模型，如图1、2所示。从分析角度考虑，需要对冷却模块进行一定的简化，芯体部分使用方体替换；在建立三维仿真计算域时，虚拟风洞的阻塞效应和洞壁干扰对计算结果的影响不能忽略，应同步考虑，通过在star ccm+建立计算域（图3），生成网格并完成计算。

图1 整车3D模型1

图2 整车3D模型2

图3 计算域示意图

主要仿真模拟怠速、爬坡和高速3个工况，简化的冷却模块设置为多孔介质模型，风扇使用MRF模型进行模拟，完成计算得到如图4至图6的结果。

图4 中冷器风速分布图

图5 冷凝器风速分布图

图6 散热器风速分布图

图4至图6是冷却模块表面的在各个工况下的风速分布图，平均风速见表1。主要受到冷却系统的排布以及舱内布置位置的影响，对风速的分布情况的掌握才能合理布置舱内各个系统部件。

表1 冷却系统的平均风速（m/s）

计算得到的冷却模块各部件的风量分配（表2）为进一步分析提供了数据。

表2 冷却系统的风量情况（m3/s）

1.2 整车一维仿真

按图7的原理一维冷却系统原理建立仿真模型，主要计算了发动机冷却系统的一些宏观参数，包括冷却部件的散热功率、平衡水温、冷却液流量及分布、风的温度等；根据表2的风量分布情况，结合格栅开口率为16.1%，分析冷却系统性能。结果见表3。在怠速、爬坡、高速3种工况下系统平衡水温分别为79.48℃、111℃、103.6℃。冷却系统各零部件冷却液流量分配见表4，在怠速工况，系统的流量为6.5 L/min，按照经验，系统在怠速工况下的流量一般在20 L/min左右，所以此工况下系统流量偏小。在爬坡和高速工况下，节温器全开，而根据经验，暖风芯体在节温器全开时，通过的水量是总量的10%~20%，从表4中数据可以看出，通过暖风机的水量基本合理。表5为通过、中冷器、冷凝器、散热器后的空气温度情况，由数据可知，产生的最高温度是爬坡工况下通过散热器后的空气温度103.5℃，散热器的出风温度合理。

表3 各工况下的平衡水温

表4 各部件的水流量

图7 冷却原理图

表5 冷却系统各部件后风温

2 整车三维热害分析及优化

通过以上分析可知，汽车行驶中温度比较恶劣的情况出现在爬坡工况，因此分别模拟了40 km/h、120 km/h两种车速下的爬坡工况，使用台架数据以及一维仿真结果作为输入条件参数，通过三维仿真，分析发动机舱内的温度场情况，对存在热害的零部件提出优化方案，再次仿真计算，得到优化后结果。

通过计算得到舱内各零部件的三维温度场分析结果见表6，由表中数据可知，超温情况主要发生在低速爬坡工况，前围制动油管及管夹、发动机线束、暖风水管以及空调管部件等表面温度超过极限温度。

结合表6，由图8可知，在爬坡工况下前围制动油管及管夹表面的温度达到了133℃，不满足其许用最高极限温度120℃，存在热害风险，从温度分布位置可判断制动油管表面的高温来自于排气系统的辐射。由图9可知，发动机线束表面温度达到135℃，超过了其许用温度100℃，存在热害风险，结合周围空气温度分布情况分析，主要受到排气管的辐射导致局部超温。由图10可知，暖风水管表面温度达到138℃，超过了其许用温度130℃，存在热害风险，从温度分布知表面热源来自周围空气换热以及排气管辐射。由图11可知，空调管局部表面温度超过了其许用温度110℃，达到153℃，存在热害风险。

表6 三维热害分析结果

图8 前围制动油管及管夹表面温度分布

图9 发动机表面温度分布

图10 暖风水管表面温度分布

图11 空调管表面温度分布

3 优化方案

根据三维温度场的分析结果，对超温部件做出优化方案（图12至图15），避免发生整车热害风险：

（1）对前围制动油管及管夹表面超温部位包覆铝箔，以降低热辐射的影响。

（2）发动机两侧线束表面高温来自排气管高温辐射，在涡轮增压上方增加隔热罩，同时对发动机线束的位置重新布置或者局部包覆铝箔。

（3）在暖风水管局部位置包覆铝箔可以达到排除热害的目的。

（4）由于空调管表面的高温气体主要来自于流经冷却系统的热空气，对高温局部表面包裹铝箔，隔绝外部气温的影响，可达到降温目的。

图12 前围制动油管及管夹温度分布

图13 发动机线束表面温度分布

图14 暖风水管表面温度分布

图15 空调管表面温度分布

由表7可知，经优化后前围制动油管及管夹、发动机线束、暖风水管、空调管等存在热害风险的零部件的最高极限温度，降低到了许用最高极限温度范围内，可以认为优化后方案满足整车热管理要求。

表7 优化前、后的结果对比

4 热平衡试验及试验仿真结果对比

为了检测实际工况下整车各零部件的工作温度范围，本次利用试验样车开展了相应的环境模拟的热平衡试验，同时验证整车冷却散热能力是否满足要求，以及仿真结果的可行性，避免整车发生热害风险影响汽车性能。样车在环模模拟实验室分别以三种工况（怠速、匀高速和爬坡）进行试验（图16至图18）。爬坡：环境温度设置为40℃，试验车以二挡（手动挡）或者40 kph的车速爬10%坡，水温达到平衡或者30 min后，熄火静置，所有测点温度不再上升后记录发动机水温和各零部件温度。怠速：在45℃的环境下，以50 km/h车速行驶20 min后停车，怠速运行至水温平衡后熄火静置，所有测点温度不再上升后记录发动机水温和各零部件温度。匀高速：在45℃的环境下以140 km/h车速至水温平衡或者30 min后熄火静置，所有测点温度不再上升后记录下发动机的水温和各零部件温度。图19所示是爬坡工况的发动机水温曲线，浸置后水温平衡至111℃，满足发动机限值要求。