汽车发动机冷却风扇仿真方法对比

基金项目:上海新代车辆技术有限公司资助(Q20013)收稿日期:2002-09-19 第20卷　第9期计　算　机　仿　真2003年9月 文章编号:1006-9348(2003)09-0039-04发动机冷却系统的建模与仿真肖成永1,李健2,张建武1(1.上海交通大学机械工程学院,上海200030;2.上海新代车辆技术有限公司,上海200050)摘要:该文在基于M AT LAB/SIM U LINK 的环境中建立了某重型汽车柴油发动机冷却系统模型。

该系统主要由发动机、节温器、散热器、水泵以及空气冷却系统组成。

模型着重考虑了节温器的迟滞和热惯性等非线性特点,并建立了风扇的风速控制逻辑。

在不同运行状况下仿真结果与相应的发动机实测数据基本一致,表明所建立的模型具有较好的温度预测能力。

关键词:柴油机冷却系统;建模;仿真;迟滞中图分类号:TP271+.62;U270 文献标识码:A1　前言发动机冷却系统是保障发动机正常稳定运行的重要辅助系统。

它通过冷却水的循环带走了发动机运转过程中散发出来没有转化为机械能的热量,从而避免了因大量热量的累积而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效。

用计算机对冷却系统性能进行仿真分析是近几年来发动机研究的热点。

本文基于热力学理论,在M AT LAB/SI M U LI NK 环境中建立发动机冷却系统的仿真模型,分析了冷却系统各组件的工作特性,并以实验数据对模型进行验证。

2　冷却系统的结构整个发动机冷却系统由两个体系构成:冷却水回路和冷却空气通道。

冷却水回路包括发动机、水管、节温器、散热器和冷却水泵等。

冷却空气依次通过中冷器、散热器、风扇和发动机,并带走发动机所产生的热量。

图1　冷却系统的构成图1中的发动机是整个系统的热源,发动机燃油燃烧产生的能量,约三分之一作为热量通过汽缸壁传导到冷却系统或直接散发到大气中。

图中的箭头指明了水在系统中流动的方向。

节温器通过蜡球操纵对流量进行控制。

当节温器没有打开时,水全部通过旁路通道经水泵流回发动机;当节温器打开时,冷却水进入散热器;散热器流出的水和旁路的水在水泵处混合。

２０２０年第２期车辆与动力技术Ｖｅｈｉｃｌｅ＆ＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ总第１５８期文章编号：１００９－４６８７（２０２０）０２－００３１－０５收稿日期：２０２０－０３－３０作者简介：刘继伟（１９９３－），男，硕士，研究方向为新能源汽车热管理．基于ＣＦＤ的新能源汽车冷却风扇气动性能仿真分析刘继伟，　龙海峰，　席忠民，　许俊海，　何凯欣，　何重光，　梁佳佳（广汽新能源汽车有限公司，广州５１１４３４）摘　要：以某新能源汽车的７叶片的冷却风扇为研究模型，通过ＳＴＡＲＣＣＭ＋软件中Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ ε湍流模型对其进行定常三维数值计算．首先进行了网格数量的无关性验证；然后通过试验验证了数值计算模型的准确性，并对冷却风扇内部流场压力与速度分布进行了分析；最后分析了叶片个数参数对冷却风扇气动性能的影响．结果表明：相同转速的工况下，当冷却风扇静压相同时，随着叶片个数增多，其产生的流量越大．在冷却风扇的静压效率方面，在风扇静压１７０ ２００Ｐａ左右时，９叶片风扇静压效率最高．在其他静压区间，当叶片数为７、８时，风扇静压效率要高于９叶片风扇．研究可以为新能源汽车冷却风扇气动性能优化提供依据．关键词：冷却风扇；气动性能；数值仿真；叶片个数中图分类号：ＴＨ４２；Ｕ４６２ 文献标识码：ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＮｅｗＥｎｅｒｇｙＶｅｈｉｃｌｅＣｏｏｌｉｎｇＦａｎｓＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＬＩＵＪｉｗｅｉ，　ＬＯＮＧＨａｉｆｅｎｇ，　ＸＩＺｈｏｎｇｍｉｎ，　ＸＵＪｕｎｈａｉ，　ＨＥＫａｉｘｉｎ，ＨＥＣｈｏｎｇｇｕａｎｇ，　ＬＩＡＮＧＪｉａｊｉａ（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，ＧＡＣＮｅｗＥｎｅｒｇｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ ，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４３４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅ７ ｂｌａｄｅｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｏｆａｎｅｗｅｎｅｒｇｙｖｅｈｉｃｌｅｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｏｄｅｌＴｈｅｓｔｅａｄｙｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＲｅａｌｉｚａｂｌｅｋ εｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｉｎＳＴＡＲＣＣＭ＋ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｇｒｉｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ Ｔｈｅｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｂｌａｄｅｓｏｎｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｈｅｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｉｓｔｈｅｓａｍｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅｉｓｌａｒｇｅｒ Ｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｏｌｉｎｇｆａｎ，ｗｈｅｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｆａｎｉｓａｂｏｕｔ１７０ ２００Ｐａ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ９ ｂｌａｄｅｆａｎｉｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ Ｉｎｏｔｈｅｒｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｇｉｏｎｓ，ｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｂｌａｄｅｓｉｓ７ａｎｄ８，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｆａｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅ９ ｂｌａｄｅｆａｎ Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｓｆｏｒｎｅｗｅｎｅｒｇｙｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｓ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｎｕｍｂｅｒｏｆｂｌａｄｅｓ 近些年新能源汽车在中国发展迅速，新能源汽车的电子冷却风扇是整车热管理重要组成部分，电子冷却风扇的设计要满足电驱系统、电池系统与空调系统的冷却需求；同时，电子冷却风扇也会对新能源汽车的ＮＶＨ性能影响很大［１］．因此，设计出冷却性能好与低噪音的电子冷却风扇是至关重要的．ＣＦＤ仿真分析技术的出现可以缩短产品的开发周期，同时降低开发成本，更可以从机理上研究车辆与动力技术２０２０年冷却风扇的流动细节，目前已经广泛应用到冷却风扇的开发中．当前对冷却风扇的研究主要集中在轮毂比［２］、叶片个数［３］、叶顶间隙［４］、叶片安装角［５］与叶片形状［６］等方面对冷却风扇性能的影响．本文使用ＣＡＴＩＡ三维绘图软件创建了风扇的模型，用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ几何处理，最后使用ＳＴＡＲＣＣＭ＋计算软件求解，介绍了冷却风扇的气动性能数值计算方法、求解方法以及模型计算参数的选取．计算并分析了冷却风扇的静压与流量的关系，数值结果与试验值进行对比，证明了计算模型和计算方法的准确性；同时，对风扇内部压力场、速度场进行分析，所得结果为进一步研究新能源汽车冷却风扇提供了一定的理论基础与参考意义．１　几何模型冷却风扇的主要结构参数如下，叶片数：７；风扇半径：２３０ｍｍ；轮毂比：０ ４；叶片均匀等距分布在轮毂上．由于冷却风扇的原始几何模型较复杂，在网格划分的过程中，将对风扇流场影响小的区域（圆角和孔）用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件简化前处理，风扇计算域网格如图１所示，对叶片附近网格加密处理．按照冷却风扇的试验条件，将整个计算域划分为入口区、过渡区、旋转区和出口区，进出口区计算域均为半径是２倍风扇半径的圆柱．一般数值计算要求满足入口区长度大于１０倍风扇半径，这里入口区长度３０００ｍｍ；出口区长度大于１２倍风扇半径，出口长度４０００ｍｍ．图１　计算域网格整体划分２　控制方程与边界条件２ １　控制方程不可压缩质量守恒方程为Ｕｉ／ ｘｉ＝０，（１）动量守恒为ρ Ｕｉ ｔ＋ρＵｊ Ｕｉｘｊ＝－ Ｐ ｘｉ＋μ ｘｊ ｘｊＵｉ＋ ｘｊμτＵｉ ｘｊ＋ Ｕｊｘ()[]ｉ，（２）式中：Ｐ为流体静压；Ｕｉ，Ｕｊ为平均速度分量；ｘｉ，ｘｊ为坐标分量；μ为动力学黏性系数；μτ为湍流黏性系数．ｋ－ε湍流模型为［７］ρ Ｋ ｔ＋ρＵｊＵｉ ｘｊ＝－ ｘｊμ＋μτσ()ｋＫ ｘ[]ｊ＋μτＵｊ ｘｊ Ｕｊ ｘｉ＋ Ｕｉｘ()ｊ－ρε，（３）ρ ε ｔ＋ρＵｉε ｘｉ＝ ｘｊμ＋μτσ()ｓε ｘ[]ｊ＋ｃ１εｋμτ Ｕｊ ｘｊ Ｕｊ ｘｉ＋ Ｕｉｘ()ｊ－ｃ２ρε２Ｋ，（４）式中：Ｋ为湍动能；ε为湍流耗散率；στ，σｓ为湍动能和湍流耗散率的普朗特常数；ｃ１，ｃ２为常数．２ ２　边界条件文中采用在汽车领域应用广泛的ＳＴＡＲＣＣＭ＋商业软件，研究的风扇流场属于低马赫数流动，介质空气属性近似为不可压缩介质，密度为１ ２０４ｋｇ／ｍ３，动力粘度为１ ８５５Ｅ ５Ｐａ·ｓ，文中采用的旋转流动中应用广泛的Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型，壁面处理为Ｔｗｏ ｌａｙｅｒＡｌｌｙ＋ＷａｌｌＴｒｅａｔｍｅｎｔ，选用多重参考系模型可将风扇旋转的瞬态问题用稳态方法数值求解，压力、动量、湍流耗散率都采用二阶迎风格式．试验过程中将冷却风扇安装在小型风洞出口处，风洞内在距离冷却风扇入口某一位置处，限定不同静压值，输入１３Ｖ电压，冷却风扇旋转，进而得到不同静压条件下冷却风扇的风量转速、电流、轴功率和效率．为与实验结果相对比，文中入口边界条件为质量流量入口，出口边界条件为压力出口，相对大气压力的静压为０，风扇表面、轮毂表面、护风罩表面为壁面边界条件．３　计算结果及分析３ １　网格无关性验证计算区域的网格数量对数值求解的数值精度与模拟结果影响很大，数值求解时一般在关键流动区域进行网格细化，在对流动影响不大的区域适当调整网格大小，采用合理的网格参数控制策略既能提·２３·第２期刘继伟等：基于ＣＦＤ的新能源汽车冷却风扇气动性能仿真分析高计算精度又能节约时间成本．文中计算模型在扇叶周围划分边界层网格，在旋转区域、进出入口区域过度区均采用ｐｏｌｙ多面体网格．文中选取相同流量１ ２７９６ｍ３／ｓ条件下进行网格无关性分析，表１为选取的５种不同网格数量条件进行计算，得到冷却风扇的静压值与试验结果进行对比．从表１中可以看出网格数量达到１６０万左右，风扇静压几乎没有变化，并与试验结果很接近，最大误差为０ ５％左右．为保证计算资源和计算时间的限制，后续分析也在此数量网格条件下进行计算．表１　网格无关性验证总网格数转速／（ｒ·ｍｉｎ－１）流量／（ｍ３·ｓ－１）静压／Ｐａ５３３５３２２０６７１ ２７９６９５ ４８３３８２６２０６７１ ２７９６９８ ０１６７５４９１２０６７１ ２７９６１００ ３２６３６６６５２０６７１ ２７９６１００ ２６５１２９５０２０６７１ ２７９６１００ １试验值２０６７１ ２７９０９９ ８３ ２　计算结果验证图２为试验结果与数值计算结果的静压与冷却风扇流量的关系对比，图３为试验结果与数值计算结果的静压与静压效率的关系对比，可以发现仿真结果与试验测试结果趋势大体相同，静压试验值和仿真结果最大误差为３ ６６％，最小误差为０ ０３％，静压效率最大误差为２１％，最小误差为０，说明文中采用的网格精度与计算模型可以较精确的仿真冷却风扇的流动状态，可以为后面研究冷却风扇的气动性能研究提供理论支持．图２　风扇静压与流量的关系图３　风扇静压与静压效率的关系３ ３　内部流动特性分析研究冷却风扇工作机理对冷却风扇的开发有着重要作用，分析静压云图可以了解冷却风扇的受力情况，也可以发现流经风扇气体的流动状态．图４和图５为转速为２０６７ｒ／ｍｉｎ，入口流量为２２２６ｍ３／ｈ，冷却风扇压力面和吸力面上的静压分布，可以发现风扇压力面存在很大的正向压力区，且压力呈阶梯状分布，在扇叶的前端压力变化最大，此区域是冷却风扇做功的主要区域［８］；风扇吸力面存在很大的负压区域，在叶片的前缘与外圈交接处正、负压相差较大，出现回流区域，此处会造成功率损失，风扇气动噪声也主要在此区域发生［９］．冷却风扇吸力面压力最高达１００Ｐａ，压力面正压最大的位置与吸力面负压最小在扇叶上的位置相同，分别位于扇叶的两面．冷却风扇的轮毂部分为封闭实体，无气流通过，压力分布也比较均匀接近为零．图４　冷却风扇压力面静压分布图·３３·车辆与动力技术２０２０年图５　冷却风扇吸力面静压分布图如图６和图７所示，轮毂附近与靠近轮毂的气体速度很小，气体流动速度最大位置出现在风扇旋转方向叶片前缘处．同时，在扇叶相互作用的影响下，压力面后缘具有比压力面前缘更大的速度．图６　冷却风扇压力面速度分布图图７　冷却风扇吸力面速度分布图３ ４　叶片个数对风扇气动性能的影响研究在相同转速和相同结构情况下，扇叶个数与风扇性能的关系．图８为不同叶片个数条件下风扇流量与静压的关系．图９为不同叶片个数条件下风扇静压与效率的关系．在同一静压条件下，叶片个数越多，冷却风扇的流量越大，整体情况也符合叶片个数越多，流量越大的事实．９叶片风扇静压在１７０ ２００Ｐａ左右时，风扇静压效率最高，但是在冷却风扇工作的整个区间静压效率并不是随着叶片个数增加而变高．从图９中可以看出，在冷却风扇工作的其他静压区间，７、８叶片时高效率表现则优于９叶片风扇．图８　不同叶片个数条件下风扇静压与流量的关系图９　不同叶片个数条件下风扇静压与效率的关系由图１０可知，气体流动到冷却风扇轮毂处，空气不能通过，会出现低速流动区；气体均匀从入口处流经冷却风扇扇叶，气体流过冷却风扇后速度明显增加，由于风扇旋转的离心力的影响，气体流动方向会变化，变成螺旋流动；随着流动距离的增·４３·第２期刘继伟等：基于ＣＦＤ的新能源汽车冷却风扇气动性能仿真分析加，气体流动速度逐渐降低．图１０　流场内速度流线图４　结　语文中介绍了使用ＳＴＡＲＣＣＭ＋软件，采用多重参考系模型求解某新能源汽车冷却风扇的工作特性，介绍了仿真计算的方法与相关参数的选取，通过与试验结果的比较，证明了本文所用方法数值模拟冷却风扇流场特性的正确性；得到了冷却风扇流动区域的压力场与速度场等内部流场特征，分析了冷却风扇的流场特征；揭示了风扇的叶片个数对风扇流量的影响，并分析了风扇叶数对风扇效率的影响，本文的研究可为优化新能源汽车冷却风扇的性能提供依据．参考文献：［１］　周　杨 纯电动汽车冷却系统数值分析［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１５．［２］　王振宁，王　红 基于计算流体力学汽车冷却风扇优化设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１６（１０）：１８２ １８６．［３］　赵要珍 轿车发动机冷却风扇的ＣＦＤ分析与低噪声优化设计［Ｄ］．长春：吉林大学，２００７．［４］　赵立杰，王新玲，署恒涛，等 轴流式发动机冷却风扇气动性能与气动噪声数值分析［Ｊ］．沈阳航空航天大学学报，２０１７，３４（０１）：５０ ５６．［５］　王银姣，卢剑伟，江　斌，等 利用ＣＦＤ技术研究叶片斜度对贯流风机性能的影响［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２０１２，３５（７）：８８２ ８８７．［６］　李盛福，王欣欣 汽车冷却风扇叶片参数优化设计分析［Ｊ］．机械设计与制造，２０１９（０７）：４８ ５２．［７］　谭礼斌，袁越锦，黄　灿，等 旋风分离器流场分析与结构优化的数值模拟［Ｊ］．陕西科技大学学报，２０１８，３６（０３）：１５２ １５９．［８］　庞　磊，李孝宽，李　嵩，等 对旋轴流通风机气动性能的数值预估［Ｊ］．风机技术，２００８（０４）：２０ ２２．［９］　ＮＡＳＨＩＭＯＴＯＡ，ＦＵＪＩＳＡＷＡＮ，ＡＫＵＴＯＴ，ｅｔａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅａｎｄｗａｋｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎａｃｏｏｌｉｎｇｆａｎｗｉｔｈｗｉｎｇｌｅｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，２００４，７（１）：檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲８５ ９２．（上接第３０页）４　结　论１）针对某插电式混合动力汽车设计了一套整车电机冷却热管理系统，来保证动力系统、电池系统、空调系统等在各模式／工况下的安全可靠运行．２）基于三维ＣＦＤ仿真分析与一维系统仿真分析相结合的方法，计算了电机冷却系统在纯电动模式，低速蠕行工况和６０ｋｍ／ｈ爬坡工况下系统的温度和流量，评估系统设计可行．３）考虑到热管理系统的能耗，对电机冷却系统中电子水泵及其控制策略进行优化．计算了优化前后，春秋季、夏季两种环境下，城市循环工况（３０次）电机冷却系统电子水泵总能耗．计算结果显示，优化后，春秋季、夏季环境，城市循环工况下，电子水泵能耗分别降低５４％和８５％，能耗降低明显．参考文献：［１］　国家质量监督检验检疫度总局和国家标准化管理委员会．ＧＢ １９５７８—２００４乘用车燃料消耗量限值［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００４．［２］　国家质量监督检验检疫总局和国家环境保护部．ＧＢ１８３５２ ６ ２０１６，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１６．［３］　周能辉，赵春明，辛明华，等．插电式混合动力轿车整车控制策略的研究［Ｊ］．汽车工程学报，２０１３，３５（２）：９９ １０４．［４］　卢　山，卢桂萍，李　馨，等．基于Ｖ模式开发插电式混合动力汽车整车热管理控制策略研究［Ｊ］．计算机测量与测试，２０１８，２６（４）：８８ ９１．［５］　李　峰．插电式混合动力汽车热管理系统开发及其控制算法研究［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１６．·５３·。

第29卷第5期2008年10月内 燃 机 工 程Chinese Internal Combustion Eng ine Eng ineeringVo l.29No.5Oct.2008收稿日期:2007-10-30作者简介:董军启(1977-),男,博士,主要研究方向为车辆热管理及强化传热,E -mail:dongjunqi2008@ 。

文章编号:1000-0925(2008)05-075-05290090车辆发动机冷却模块试验与仿真研究董军启1,2,陈江平2,何新燕1(1.浙江银轮股份有限公司,天台317200;2.上海交通大学机械与动力学院)Experiment and Simulation Research for Vehicle Engine Cooling PackageDONG Jun -qi 1,2,C HEN Jiang -ping 2,HE Xin -yan 1(1.Zhejiang Yinlun M achinery Co.,Ltd.,Tiantai 317200,China;2.School of M echanical Eng ineer ing,Shang hai Jiaotong University)Abstract:To improve the num er ical calculation accuracy of the cooling packag e in the vehicle eng ine,the 3D and 1D com bined sim ulation technolo gy w as applied to sim ulate study of a hy draulic excavato r ma -chine cooling package,w hich included a charge air co oler,hydraulic oil cooler and r adiator.And the thermal hy draulic performances of each component in the coo ling package w ere calculated.T he test of heat transfer and pressure drop perform ance o f the co oling packag e w as conducted in the w ind tunnel,and the test resultsw ere com pared with the sim ulation results.T he r esults sho w that the sim ulation erro r o f heat transfer per -form ance of three com ponents is -4.02%,-5.8%and 4.37%respectively,the simulation erro r of the pressure dr op of w hole cooling package is -7.38%.Meanw hile,the results sho w that the 1D and 3D co m -bined sim ulation can o bv io usly im pr ove the simulation accuracy in comparison to the 1D simulatio n.摘要:为了提高车辆发动机冷却模块传热与阻力性能的仿真精度,以某液压挖掘机包括增压中冷器、液压油冷却器和水箱散热器在内的冷却模块为研究对象,采用3D 和1D 联合仿真技术,对冷却模块各散热元件进行传热和阻力性能的仿真。

柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine 2020 年第4 期第26 卷（总第173 期）doi：10. 3969/j. issn. 1671-0614. 2020. 04. 006基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化栗明，刘伦伦，高建红，曾超，张鲁滨(内燃机可靠性国家重点实验室/潍柴动力股份有限公司，潍坊261061)摘要采用C型风管式台架对某发动机冷却风扇气动性能进行试验，得到了该风扇的流量、静压及静压效率的试验数据；利用Fluent软件，对风扇流场进行仿真，得到相应的仿真结果。

将仿真结果与测试数据进行对比，结果显示两者差异基本在10%以内，满足工程分析要求：根 据风扇内部流场及叶片静压分布的仿真结果，提出了风扇结构优化方案优化后的风扇静压和静压效率均有明显提升。

关键词：发动机冷却风扇Fluent软件流场Optimization of Engine Cooling Fan Air Dynamic PerformanceBased on Fluent SoftwareLI Ming,LIU Lunlun,GAO Jianhong,ZENG Chao,ZHANG Lubin(State Key Laboratory of Engine Reliability/Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang261061 ,China)Abstract：The air dynamic performance of mass flow rate,static pressure and static efficiency of an engine fan were obtained by testing with the C-type air duct system and by the simulation of fan flow field w ith the Fluent software.The difference between the simulation and test results was less than10% , which meets the engineering accuracy requirements.According to the simulation results of inner flows and pressure distributions on the fan blades,the fan structural 〇])tim ization was proposed,and the results showed that the optimized fan had higher static pressure and static efficiency.Key words：engine,cooling fan,Fluent software,flow field0 引言风扇是水冷式内燃机的重要组成部件，其消耗 的功率占发动机总输出功率的5%〜8%m。

AUTO PARTS | 汽车零部件发动机冷却风扇周向弯曲叶片噪声优化设计徐蕴婕　贺航　肖凯泛亚汽车技术中心有限公司 上海市 201201摘 要： 介绍了汽车发动机冷却风扇性能CFD仿真方法，对已有的冷却风扇进行数值模拟，并对比实验数据验证仿真可靠性。

结合风扇结构参数等因素建立三种不同型式的风扇叶片，讨论了叶片对风扇性能的影响，在不同的工况下对叶轮进行选型，为整车冷却风扇的优化匹配提供了依据。

关键词：冷却风扇　CFD　改型设计1　前言随着汽车工业的迅速发展，环保法律法规及汽车油耗标准的日益严格,消费者对于汽车动力性能和舒适性的追求也在不断提高，冷却风扇作为冷却系统主要部件，其散热性能和噪声大小对整车的热管理及NVH指标有着重要影响。

因此，对风扇气动性能以及噪声特性进行研究，并对现有风扇的设计优化具有重要的工程价值。

自20世纪40年代以来，扭曲叶片开始应用到轴流风机领域，扭曲叶片设计大大提高了轴流风机的气动性能。

60年代初，哈尔滨工业大学的王仲奇教授和前苏联学者费里鲍夫提出了应用于航空领域的弯扭叶片联合气动成型方法，弯掠风叶可控制径向压力分布和二次流分布，不仅大幅度提高风机的气动-声学性能，还能显著扩大稳定轴流风机工作区间，弯掠叶片设计成功的运用到汽轮机和航空发动机上。

MG.Beiler[1]采用数值方法研究了弯扭叶片的内部流场，并通过实验测试研究表明，前弯叶片可以改善流场分布，显著提高风机的气动性能和声学性能。

Fukano[2]对前弯和后弯叶片进行了实验研究，证实弯掠叶片可有效改善叶片尾流情况。

近年来，国内外学者对于轴流风机弯掠技术进行了大量的研究分析，上海交通大学钟芳源[3]教授将弯掠叶片设计应用于低压轴流风机，进行了数值模拟和试验测试的研究工作，并将弯掠叶片的小型风扇应用到家用电器中。

王军，于文文[4]等人，利用通过数值模拟和变型设计方法，筛选出高性能的弯掠叶片，并应用到变压器冷却领域中。

李杨[5-6]等针对通用型轴流风扇叶片，采用CFD计算风扇流场，利用人工神经网络BP算法和遗传算法相结合，对叶片前弯角进行优化。

大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真方法大型车辆的发动机冷却风扇是保持引擎正常运行和降低发动机温度的重要组成部分。

为了优化风扇的设计和提高发动机的冷却效果，数值仿真方法成为一种常用的手段。

本文将介绍大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真方法。

首先，数值方法是研究发动机冷却风扇流场的一种重要手段。

通过数值模拟，可以获取风扇出口的气流分布、速度和压力等关键参数，对风扇的设计和性能进行评估和优化。

数值仿真在实际工程中具有成本低、效率高、试验环境受限等优点，因此被广泛应用于车辆发动机冷却风扇的研究和设计中。

在进行大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真时，主要有两个关键步骤：建立数值模型和求解数值模型。

首先，建立数值模型。

数值模型的建立是进行数值仿真的关键步骤。

一般来说，数值模型可以通过三维CAD软件进行构建。

首先基于实际车辆发动机冷却风扇的几何尺寸和形状，利用CAD软件进行建模。

然后，根据具体的问题和要求，设置边界条件和初值条件。

边界条件包括进口速度、进口压力和出口静压等。

初值条件可以选择一些合理的初始值。

最后，将数值模型导入数值仿真软件中，准备求解数值模型。

接下来，求解数值模型。

数值模型建立完成后，可以使用计算流体力学（CFD）方法进行求解。

CFD是一种基于控制方程数值求解的方法，可以计算流体力学问题中的速度、压力、温度等相关参数。

求解过程中，需要设置网格划分、求解算法和收敛准则。

网格划分是将数值模型分割成有限数量的小单元，用于描述流体力学问题的数值解。

根据网格划分的精细程度和复杂程度，可以影响数值模型的准确性和计算效率。

求解算法是利用控制方程和边界条件进行数值计算的方法。

常见的求解算法包括有限体积法、有限元法和有限差分法等。

收敛准则是判断数值解是否趋于稳定的条件。

一般来说，当数值解在迭代过程中满足一定的误差要求时，即可认为求解结果已经收敛。

除了数值模型的建立和求解，还需要进行结果分析和评估。

通过对数值仿真结果的分析，可以了解发动机冷却风扇流场的流动特性和温度分布等情况。

车辆热管理系统的建模与仿真作者：世冠工程公司车辆热管理系统广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，现阶段主要研究对象通常以冷却系统为核心，综合考虑润滑系统油冷器、空调系统冷凝器及中冷器等与冷却系统之间的相互影响，而发动机冷启动特性研究和发动机舱流动传热分析为车辆热管理研究的首要问题。

典型的车辆冷却系统（见图1），包括：冷却水泵、发动机、油冷器、节温器、散热器、暖风与膨胀水箱等部件。

图1 典型车辆冷却系统结构通过对系统进行建模仿真计算，必须考虑以下物理现象：1.系统各支路流量、压力与温度分布；2.节温器的工作特征；3.系统动态过程温度波动；4.系统各处的换热情况。

车辆冷却系统AMESim针对车辆冷却系统提供了热库、热流体库及冷却系统库等专业库，涵盖了冷却系统建模所需要的全部部件，通过鼠标拖放操作就可以快速建立起冷却系统的仿真模型。

图2 AMESim车辆冷却系统模型图2为应用AMESim建立起的车辆冷却系统模型，该模型需要输入的参数如下：1.实际系统的管网结构；2.采用冷却液的种类；3.各段冷却水管的几何尺寸；4.水泵特性曲线；5.系统各部件的流阻特性（散热器、油冷器和水套等）；6.散热器性能MAP图。

通过设定系统外部边界条件（大气压力、大气温度等）及系统初始条件，给定仿真周期，AMESim能够自动选择最优的积分算法与步长，快速完成系统瞬态计算。

AMESim车辆冷却系统典型仿真结果见图3。

图3 AMESim车辆冷却系统仿真结果由图3可见，通过AMESim建模仿真可以计算系统各支路流量与流动阻力，对系统整体性能进行评估，选择关键部件的尺寸并设计控制策略等。

基于AMESim冷却系统解决方案，工程师可以研究新的部件、新型结构对系统效率和性能的影响，包括：1.分析采用新型电子水泵和电子节温器的影响；2.分析系统最高工作温度；3.分析新的部件、新的布置结构以及管路尺寸的影响；4.分析更高的水箱压力对汽蚀的影响。

轻型汽车技术2020(11-12)技术纵横3技设计•研究纯电动卡车冷却系统散热性能仿真分析王雪翠沈玉冉杨凯高辉(南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）摘要：针对冷却系统在实车环境中位置结构比较复杂，导致内、外流场不均 匀而难以辨别各因素对其散热性能影响的问题，本文通过1D&3D耦合仿真得到相关冷却系统零部件散热性能的数据，分析影响散热效果的因素，判断散热性能的好坏。

仿真结果表明散热器进水温度为75.0018尤，出水温度为63.5251^,满足散热需求，验证了这种冷却系统研究方法的可行性，为冷却系统匹配选型及散热优化设计提供了参考。

关键词：电动汽车冷却系统建模耦合仿真1引言电动车行驶或制动过程中电机和电机控制器 里的逆变器会产生大量的热量，过多的热量会使 部件的温度急速上升，从而导致工作效率下降，严 重的还会影响到使用寿命W冷却系统作为电动汽 车非常重要的一部分，其主要作用是将热量散发 到空气中以防止散热部件过热。

冷却系统散热性 能的好坏直接影响着电动车整车性能，散热性能 优化设计目标就是在匹配水阻、风阻性能的基础 上，满足整车动力总成的散热需求，同时实现成本 和质量的最优化p l。

以往的冷却系统热管理研究主要针对传统燃 油车，对电动汽车的冷却系统研究较少，且大多数 采取的方法为使用单独的一维仿真或者是对于局 部部件的三维仿真，但单纯地建立1D仿真模型无 法体现空间位置布置对空气流动的影响，而将局 部部件单独设计和优化也已偏离实际工况。

本文以某款电动汽车水冷系统作为研究对象，采用将冷却系统空气侧模型和水侧模型耦合 仿真的方法得出散热器部件的进出水温度，从而 实现对电动汽车冷却系统进行散热性能的分析。

该冷却系统主要零部件布置见图1，图中Q是需 要确定的冷却空气流量,q是需要确定的冷却液流 量,冷却液从驱动电机出口流经控制器、散热器、水泵回到驱动电机入口。

2冷却系统模型仿真2.1冷却系统空气侧模型仿真2.1.1冷却系统空气侧3D模型建立冷却系统空气侧模型主要由散热器、冷凝器 和冷却风扇模型构成。

本文在两款风扇结构对比分析的基础之上，以CFD方法为主要研究方法，计算了普通散热器风扇和仿生造型风扇的气动噪声值，并进行了深入的对比。

对比结果表明，仿生造型风扇在风扇直径和通风能力增大的前提之下，实现了风扇气动噪声的降低。

并且本文在对两款风扇的瞬态流场进行了深入分析的基础之上，明确了仿生造型风扇的降噪机理，并提出了一些可以指导风扇降噪设计的建议。

本文的研究结果，可以对冷却风扇气动噪声性能的优化提供参考。

0 引言在传统的轿车噪声源逐渐受到控制的情况下，作为轿车冷却系统必不可少的重要部件，冷却风扇的气动噪声问题逐渐受到了广泛的关注。

并且，在具体的冷却模块设计中，为了满足特定的通风量要求，或者为了将双风扇合并为单风扇，往往涉及到风扇直径的增大。

但是，冷却风扇气动噪声值和风扇直径之间存在着重要的关系[1]，大直径的风扇意味着更大的气动噪声。

另一方面，近代仿生学研究表明，将如图1所示的鸟类翅膀的宏观非光滑外形，应用于机翼及风扇叶片等气动机械造型中，有利于降低其气动噪声值[2-3]。

所以，将仿生学成果应用于轿车散热器风扇，用以进行风扇气动噪声的优化，或者在风扇直径增大时降低其气动噪声，无论是在理论研究和工程实际之中都具有重要的意义。

图1 鸟类翅膀非光滑形态示意图本文以计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics--CFD）和计算气动声学（Computational Aeroacoustics--CAA）理论为基础，建立了轴流风扇气动噪声计算方法。

应用该方法对小直径普通风扇和大直径仿生叶片风扇的气动噪声值进行了计算，而且对仿生叶片风扇的降噪机理进行了深入的研究。

1 风扇气动噪声计算方法1.1 计算几何模型及计算域选取研究显示，轴流风扇的噪声源包括干涉噪声和自噪声两部分[4]。

其中，干涉噪声是指旋转叶片与固定部件之间的流体干涉，以及风扇上游部件导致的进口湍流产生的噪声；自噪声的主要噪声源为风扇叶片的气流分离、尾窝脱落和叶尖窝等。

汽车冷却系统的热力学设计及仿真汽车冷却系统是汽车的重要组成部分，也是关系到车辆运行效率和寿命的关键因素之一。

它主要通过循环冷却剂对汽车发动机的产热进行散热，维持发动机的正常温度和工作状态。

在这篇文章中，我们将从热力学角度出发，探讨汽车冷却系统的设计和仿真，以便更好地理解汽车冷却系统的工作原理和各种设计要素的影响。

第一部分：汽车冷却系统的基本原理汽车冷却系统的基本原理是利用流体工作介质对发动机产热的吸热和对周围环境的放热来控制发动机的温度。

具体来说，冷却系统通过水泵将冷却液循环流动在发动机块和缸盖的内外表面（也称为水道）上，以吸收产生的热量。

同时，通过散热器将冷却液中的热量辐射散发到周围空气中，从而完成对发动机的冷却。

此外，汽车冷却系统还与发动机的润滑系统、供油系统和排气系统等密切相关，组成整个汽车的运行系统。

第二部分：汽车冷却系统的设计和组成要素汽车冷却系统包括许多不同的组成部分，包括散热器、水泵、散热风扇、温度计、传感器等。

这些要素的选择和设计决定了整个汽车冷却系统的运行效率和可靠性。

以下是一些关键组成部分的简要介绍。

1. 散热器散热器是汽车冷却系统中最重要的部件之一，负责将发动机产生的热量辐射散发到周围环境中。

散热器主要由散热芯和空气导流罩两部分构成。

散热芯是一个由油管翅片和水槽组成的管道网络，通过这个网络使冷却泄漏在散热芯内壁。

空气导流罩位于散热器外部，用于将冷空气引入散热器内部，以加速热量散发。

散热器的设计和选择对冷却系统的整体效率至关重要。

2. 水泵水泵是冷却系统中的重要部件之一，主要负责将冷却剂从散热器中循环引入发动机以实现冷却。

水泵与发动机轴相连，利用轴上的齿轮或推力固定在发动机上。

以此来控制泵的转速。

水泵设计的好坏直接影响整个冷却系统的输送能力和循环速度。

3. 散热风扇散热风扇是冷却系统中的一个辅助部件，它起到加速将散热器表面的热量驱散到空气中的作用。

由于风扇的存在，汽车的冷却系统可以在行车时维持较好的冷却状态。

基于AMESim软件的发动机冷却系统仿真分析基于AMESim软件的发动机冷却系统仿真分析摘要：随着汽车工业的快速发展，发动机冷却系统的设计与优化变得日益重要。

为了提高汽车发动机的热效率和使用寿命，减少燃油消耗和排放，仿真分析成为一种有效的方法。

本文基于AMESim软件，对发动机冷却系统进行了仿真分析。

通过对发动机冷却回路的建模和仿真分析，得出了不同工况下冷却系统的性能参数，为优化设计提供了理论依据。

1. 引言发动机冷却系统是汽车工程中不可或缺的一部分，它起着散热、稳定发动机温度、提高热效率的重要作用。

优化发动机冷却系统设计可以提高发动机的性能、降低油耗和排放，因此越来越受到研究者的关注。

2. AMESim软件介绍AMESim是一款基于物理学原理的多域仿真软件，可以对复杂系统进行动态仿真分析。

它可以在不同时间和空间尺度上对系统进行建模，支持多个物理学领域的联合仿真分析。

3. 发动机冷却系统的建模本文基于AMESim软件，对常见的发动机冷却系统进行了建模。

首先，对冷却液回路进行建模，包括发动机水套、水泵、散热器等组件。

其次，根据发动机的工作负荷和外界环境温度等因素，建立发动机热力学模型。

最后，将冷却液回路和发动机热力学模型进行耦合，完成整个发动机冷却系统的建模。

4. 发动机冷却系统的仿真分析通过对发动机冷却系统的建模，可以进行不同工况下的仿真分析。

本文选择了不同转速、负荷和外界环境温度等工况参数，对系统的性能进行分析。

仿真结果显示了发动机冷却液的温度变化、发动机冷却效果和系统的能耗等关键参数。

5. 优化设计通过对仿真结果的分析，可以对发动机冷却系统进行优化设计。

例如，可以改变散热器的尺寸和材料，改变水泵的流量和工作压力等。

通过优化设计，可以提高冷却效果、减少燃料消耗和排放。

6. 结论本文基于AMESim软件对发动机冷却系统进行了仿真分析。

通过建立冷却液回路和发动机热力学模型的耦合模型，对不同工况下的系统性能进行了评估。

基于 AMESim发动机冷却系统匹配仿真分析徐立平【摘要】This article discusses the basic ideas and methods of engine cooling system matching, and systematically analyzes the working conditions of cooling system by inputting models of engine, fans, radiators and other cooling system related compo-nents based on AMESim simulation platform.The results provide the basis for optimal matching of the cooling system.%讨论发动机冷却系统匹配的基本思路和方法，以AMESim 为仿真平台输入发动机、风扇、散热器等冷却系统相关部件模型，系统分析冷却系统工作状况。

分析结果为冷却系统的优化匹配提供依据。

【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】3页(P42-43,50)【关键词】冷却系统;匹配;仿真分析【作者】徐立平【作者单位】广州工程技术职业学院，广东广州 510900【正文语种】中文【中图分类】TH128随着发动机升功率的不断提高,热流密度也随之增大,易出现发动机冷却液温度过高过低的问题。

特别是由于系统匹配不当造成此类问题时, 此类故障就很难简单解决,从而影响整车的正常使用, 因此, 整车厂以及相关零部件供应商对冷却系统的匹配研究给予越来越多的关注[1]。

汽车冷却系统主要由以下部件组成: 发动机、风扇、节温器、散热器(水箱) 、中冷器、空调系统、变矩器油散热器、取暖器以及相应的管路、液压油散热器、温度传感器及仪表等。

如何进行冷却系统配置和评价, 近而缩短产品设计开发周期, 提高设计成功率, 是设计师追求的目标。

汽车发动机冷却风扇仿真方法对比王天利;海超;张波;刘苑【摘要】对比多参考坐标系(Multiple Reference Frame,MRF)模型和滑移网格模型(Sliding Mesh Model,SMM)在分析中的差异,分别应用FLUENT中的三维N-S 方程和RNG湍流模型,对发动机冷却风扇的静止和旋转区域进行数值模拟,得到流道内空气的质量流量及风扇叶片表面的压力和速度矢量分布.SMM的结果更接近真实结果;根据SMM得出的结果说明MRF模型在工程领域的应用.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2014(023)002【总页数】4页(P78-81)【关键词】汽车;发动机;冷却风扇;多参考坐标系模型;滑移网格模型;CFD;FLUENT 【作者】王天利;海超;张波;刘苑【作者单位】辽宁工业大学汽车与交通工程学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学汽车与交通工程学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学汽车与交通工程学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学汽车与交通工程学院,辽宁锦州121001【正文语种】中文【中图分类】U464.138.4;TB115.10 引言随着国内汽车行业的发展，CFD数值分析在汽车设计过程中越来越受到重视.在数值分析中，静止区域和运动区域中流动问题的模拟有5种模型:单一旋转坐标系(Single Reference Frame，SRF)模型、多参考坐标系(Multiple Reference Frame，MRF)模型、混合平面模型(Mixing Plane Model，MPM)、滑移网格模型(Sliding Mesh Model，SMM)和动网格模型(Dynamic Mesh Model，DMM). SRF模型用于单一运动物体，需要将坐标系与外形复杂的部件连接在一起，在几何上必须以旋转中心为圆心形成一个圆或圆柱才可以将问题转化为定常流动问题.MRF模型、MPM和SMM主要用于计算区域中同时存在运动区域和静止区域或存在多个静止可动区域的情况.对于计算运动边界问题以及边界或计算域内有物体移动的问题时，DMM可以很好地得到准确结果.［1］在汽车发动机舱散热中发动机风扇起重要作用，其结构有严格要求.所介绍的模型中有3种可用于同时存在运动区域和静止区域的仿真:MRF模型和MPM都用于定常流动的计算，并且MRF模型经济性更好;SMM用于非定常流动的计算.本文对风扇旋转流体区域进行CFD数值模拟.运用FLUENT，通过对汽车发动机冷却风扇性能的分析，比较MRF模型和SMM的仿真结果.1 模型确定1.1 计算模型的确定采用某公司提供的发动机冷却风扇模型，见图1.首先对模型简化，去除相应的小孔和半径小于10 mm的圆角，再对其进行网格划分.网格由GAMBIT生成.由于风扇结构比较复杂，故风扇旋转局部区域采用非结构化四面体网格(见图2)，网格数约为20万个.模拟风洞的流道表面采用四边形网格，整个流道采用混合网格，模型见图3，整个模型的网格数约为1405971万个.图1 风扇的CATIA模型Fig.1 CATIA model of fan图2 风扇旋转域网格Fig.2 Mesh of rotatable area of fan图3 整个流道网格模型Fig.3 Mesh model of whole channel1.2 边界条件的确定仿真模型的主要边界类型包括:进口、出口和壁面等.气流进口设置为压力入口，气流出口设置为压力出口，以模拟回流现象;风扇叶片和流道壁面设置为wall类型;静止区域与旋转区域建立重合的interface.在仿真过程中，旋转流体区域为唯一“动”的区域，在 GAMBIT中将旋转区域设置成 Fluid类型.1.3 FLUENT计算模型确定运用ωc［1］判断气流的可压缩性，式中:ωc为流速;c为当地声速.当ωc＜0.4 时，认为气体不可压缩.［2］本文中ωc≈0.23，所以采用三维不可压缩的雷诺时均N-S方程，其质量守恒方程和动量守恒方程张量形式［3］为式中:ρ为流体密度，kg/m3;μ为动力黏度，Pa·s;为雷诺应力，N.根据Boussinesq假设，雷诺应力与平均速度的关系为式中:μt为湍动黏度;δij为 Kronecker Delta 符号.因仿真模型中存在旋转区域，为使方程组封闭，湍流模型选择两方程RNG k-ε模型［4］为式中:μeff= μ + μi;αk= αε=1.39;C2，ε=1.68.压力速度耦合采用SIMPLE模型，为减小假扩散的影响，空间和时间均采用2阶离散.2 计算模型在含有静止区域和旋转区域的仿真过程中，选择MRF模型和SMM.SMM用来模拟真实的风扇运动，而MRF模型建立相对坐标系，模拟风扇的转动.2.1 MRF 模型MRF模型用于不同旋转或移动速度的每个区域的稳态近似，由于经济有效，在工程中常被用于定常流动的计算.考虑静止区域和运动区域交界面，FLUENT使用强制的绝对速度连续性，向相邻区域提供正确的速度值［5］;在旋转区域运用相对运动坐标系进行求解以区别静止区域，见图4.图4 MRF模型计算坐标系Fig.4 Calculation coordinate system of MRF model 2个坐标系的速度值之间的关系为式中:vr为相对速度矢量;v为绝度速度矢量;ur为牵连速度矢量;vi为平移速度矢量;ω为转动区域角速度矢量;r为相对位置矢量.在旋转区域中动量方程引入科氏加速度2 ω×vr ，在定常计算中FLUENT忽略转动项ρ× r，因此用动量方程的相对速度表达式不能准确模拟角速度随时间的变化.当交界面两侧网格节点数不同时，运用插值原理进行速度求解.在进行MRF模型仿真时，收敛残差设为10－3，迭代步数为1500步，收敛时迭代步数约为800步.2.2 SMMSMM是一种非定常计算模型，其基本原理［4］为:采用非正则网格技术，即交界面两侧子域在交接面上不共用网格节点，交界区域不由交界面两侧网格面直接构成，而是通过两侧子域间的相对移动量重新计算得出交界区域的边界位置，见图5，交界区域为 d-b-e-c.图5 内部数据之间传递Fig.5 Internal data transfer交界面区域的面的数目随交界面相对移动而不同，网格交界面的通量根据交界面的交叉处所产生的面计算.为计算交界面的通量，首先在每一新的时间步确定交界面两边交界区的重合面.通过网格重合面的通量，由交界面的重合面计算，而不是整个交界面.在非定常流动计算中，在流体机械的旋转部件出口与固定部件进口间形成网格滑移的交界面.运用SMM模拟风扇的运动情况，建立2个重合的交界面，使交界面两侧形成网格的相对滑动，而不要求交界面两侧的网格节点相互重合.计算交界面两侧的通量，并使交界面上的通量相等.在开始阶段不关心精确解.计算开始阶段采用较大的时间步长以缩短开始阶段的不稳定过程;在计算稳定后，减少时间步长以保证时间精度;当流场的变化量小于0.1%时，认为计算结果达到要求.本文风扇含有8个扇叶，每个扇叶分为15个时间步(最多不超过20个时间步)，每个时间步转动3.4°.收敛残差设置为 10 －6，开始时间步长设置为0.0002 s，达到稳定后时间步长设置为 0.0001 s，前后总时间步数均设为100步.3 仿真结果通过分析风扇表面的压强分布云图、速度矢量分布图以及出口处的压力云图，说明MRF模型与SMM之间的差异.速度矢量分布见图6，可以看出在叶片表面速度变化比较均匀，而MRF模型在叶片顶部和中部与SMM有明显的差异.图6 速度矢量分布，m/sFig.6 Velocity vector distribution，m/s风扇出口静压力云图见图7.图7 风扇出口静压力云图，PaFig.7 Static pressure contours of fan outlet，Pa 由图7可知，SMM可以更真实地模拟风扇情况，而MRF模型的变化相对现实状况存在一些偏差.风扇表面静压力云图见图8，可知，叶片上由SMM得到的压力值大于MRF模型，并且SMM压力变化比较明显，压力梯度更大，在叶片顶端出现高压区，这与真实情况相似;中心转轴处由SMM得到的压力更低，在整个模型中压力过度更明显，整个风扇的压力升高高于MRF模型.风扇出口流量仿真结果见表1.综合图6～8可知，SMM可以得到更精确的解.图8 风扇表面静压力云图，PaFig.8 Static pressure contours of fan surface，Pa表1 风扇出口流量仿真结果Tab.1 Simulation results of fan outlet flow rate?4 结论运用MRF模型和SMM对发动机冷却风扇进行分析，在相同的计算网格、边界条件、湍流模型和计算设备等条件下，可以得出以下结论.(1)SMM相比MRF模型用时较长.当MRF模型使用1.2 GB内存而SMM使用1.8 GB内存时，SMM计算所消耗的时间约为MRF模型的3～4倍，可以看出SMM 占用内存明显多于MRF模型.(2)选取3种风扇转速800，2800和3500 r/min，风扇出口流量计算发现，2种方法结算结果偏差在5%左右.(3)由风扇叶片压力云图分析可知，SMM计算方法比较真实，结果更接近现实情况，计算精度高.因此，在考虑节省时间、节约成本及对计算精度要求不高时，如在风扇结构优化分析中可以使用MRF模型，在工程上亦可运用MRF模型进行仿真.参考文献:【相关文献】［1］杨建国，张兆营，鞠晓丽，等.工程流体力学［M］.北京:北京大学出版社，2010:248-249. ［2］张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术［M］.北京:北京大学出版社，2011:11.［3］王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2010:115-125.［4］于勇.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京:北京理工大学出版社，2008:206-210.［5］何炜，马静，王东，等.多参考坐标系法和滑移网格法在汽车前端进气数值模拟中的比较［J］.计算机辅助工程，2007，16(3):96-100.HE Wei，MA Jing，WANG Dong，etparing MRF method with sliding mesh for automotive front end airflow simulation ［J］.Comput Aided Eng，2007，16(3):96-100.。

基于AMESim的发动机冷却系统散热性能仿真分析胡忠文;万长东;钟鸣【摘要】基于某款汽车原型,在AMESim软件中建立了发动机冷却系统一维仿真模型,利用NEDC循环工况对其在低温起动行驶工况下的散热性能进行仿真计算,同时对其在高温爬坡的极限工况下的散热性能进行分析.研究发现,在高温爬坡的极限工况下,发动机冷却液出口温度波动过大,通过对冷却系统零部件参数重新匹配,实现了对散热性能的优化提升.【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2018(029)004【总页数】6页(P24-29)【关键词】发动机;冷却系统;散热;仿真分析【作者】胡忠文;万长东;钟鸣【作者单位】苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州215104;苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州215104;苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州215104【正文语种】中文【中图分类】U464.138随着社会持续发展，科技不断进步，汽车发动机在动力、节能和环保方面飞速发展，功率不断提高，同时发动机舱的布局变得更为紧凑，因而对于发动机冷却系统提出了更高的要求。

近年来，有关汽车发动机冷却性能的分析已有部分研究，文献[1]利用计算流体力学仿真软件对发动机冷却系统的工作循环过程、热平衡状态和匹配性能进行仿真计算，并结合实际试验验证了计算模型，对影响冷却系统冷却性能的因素进行了详细分析[1]。

文献[2]对数值模拟技术在发动机冷却系统流动与传热问题研究中的应用情况进行了研究，并对其中的研究难点—耦合系统的分析方法提出了一系列优化方案。

文献[3]针对传统发动机冷却系统设计过程中缺乏对能耗的考虑问题进行了研究，提出了发动机冷却系统能耗评价指标，并基于此指标对某款车型冷却系统的参数进行了匹配与优化。

研究主要考虑的是汽车高温爬坡的行驶工况，但对低温起动行驶工况研究较少。

本研究在前人研究的基础上，在AMESim软件中建立了某款汽车发动机冷却系统模型，利用NEDC循环工况对其在低温起动行驶工况下的发动机散热性能进行分析，同时对其在高温爬坡的极限工况下的散热性能进行分析，并根据仿真结果对冷却系统进行了参数优化。