汽车发动机舱散热特性研究
- 格式：pdf
- 大小：1.07 MB
- 文档页数：15
2005 Fluent 中国用户大会论文集 73 汽车发动机舱散热特性研究 蒋光福 （湖北省十堰市东风汽车有限公司商用车研发中心 442001）
摘 要：该文根据汽车产品研发的需要，应用商用CFD软件Fluent和KULI，采用基于Navier-Stokes方程的汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法，对某汽车在车速V＝25km/h时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点下发动机舱的散热特性和温度场特性进行研究。快速而准确地指导发动机舱内冷却系统的参数选择与判定。研究发动机舱内的温度分布特性及最高温度值,控制发动机舱内空气最高温度低于设计目标值,从而判别发动机舱内的温度特性是否满足设计要求。 该文从流量与热量之间的转换关系出发，根据东风汽车有限公司商用车研发中心提供的散热器(冷凝器和中冷器)空气流量与散热热流量试验结果，进行转换处理，计算出各工况下，空气通过散热器(冷凝器和中冷器)所带走的热量。而该热量正是散热器中冷却水或者中冷器中高温空气所损失的热量值。把Fluent的计算结果空气流量输入KULI软件中,从而得到散热器中冷却水或者中冷器中高温空气的进出口温度差。以冷却常数为评估散热器冷却性能的主要指标。以冷却效率为评估中冷器冷却性能的主要指标,设计要求冷却效率应高于80%,冷却常数应低于设计目标值。 关键词:CFD 汽车空气动力学 冷却系统匹配 传热性能 温度场
1.引 言 根据东风汽车有限公司商用车研发中心提供的车型数学模型、计算工况,应用商用计算流体力学软件Fluent，采用基于Navier-Stokes方程的汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法，对某汽车在车速V＝25km/h时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点下发动机舱的散热、流场和温度场等特性进行研究。具体内容为： 1)汽车发动机舱内散热元件(散热器,中冷器和冷凝器)的散热特性的分析研究,通过对散热器、冷凝器和中冷器参数的灵敏度分析,可以非常迅速地找到与发动机舱、散热器、冷凝器和中冷器散热很好匹配的散热器、冷凝器和中冷器参数,为选择最佳的散热器、冷凝器和中冷器参数提供设计指导。 2)发动机舱内、外空气流动耦合数值分析(内、外流场特性)研究,这样更准确地模拟发动机舱内的流场和精确地计算出流过各散热元件(散热器、中冷器和冷凝器)的空气流量；通过对散热器的冷却常数和中冷器的冷却效率分析,判断中冷器和散热器的热性能是否满足设计要求。 3)汽车发动机舱温度场分析研究。模拟出发动机舱内的温度场,研究发动机舱内的温度分布特性及最高温度值,使发动机舱内空气最高温度控制在设计指标值之内,从而判别发动机舱内的温度场特性是否满足设计要求。 在发动机设计时,冷却系统的基本参数选取原则是:在外界温度为Co40
时,当汽车在高速档运转,并以
25km/h的低速行驶时,要保证散去所有要求散去的热量。在其它所有条件下,冷却系设有专门装置,来维持冷却液或气缸盖壁面(空气冷却时)的温度在适当水平。冷却包主要的热动力学目标是散热器的最高水温,在连
续行驶情况下它必需不超过115Co,在峰值载货下它必需不超过125Co[1]。冷却常数是评估散热器冷却
性能的主要指标,冷却效率是评估中冷器冷却性能的主要指标。冷却效率应高于80%,冷却常数应低于设计目标值。 2005 Fluent 中国用户大会论文集 74 2.研究方法 对汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算，采用模拟数值风洞的方法进行，因此，其边界条件按外部流动和内部流动分为外部边界条件和内部边界条件。 对于外部流动，其边界条件包括：风洞压力(或速度)入口边界条件、风洞压力(或速度)出口边界条件和壁面边界条件。 对于内部流动，其中包含散热器、中冷器、冷凝器、风扇、发动机本体和发动机舱隔板。散热器、中冷器和冷凝器是属于带有阻尼的通气边界，风通过散热器、中冷器和冷凝器时存在压强损失和热传递现象,
采取散热器模型进行模拟；而风扇则是因其前后存在压强差，采用多项式拟合函数的描述。在Fluent软件中有风扇模型。发动机本体和发动机舱隔板则应满足壁面边界条件。 在利用CFD方法进行物体绕流的数值模拟时，必须建立数学模型。限于目前国内外CFD计算的水平，还无法对完全真实的复杂外形（如图2.1～2.2所示）进行数值模拟。因此，在保证反映物体表面真实流动特性的前提下，需对真实外形进行简化，建立计算所用的数学模型。本文对产品研发部门提供的真实车型数学模型，作了局部简化，主要考虑了车身、发动机、车架、车轮、车桥、传动轴、油箱、变速箱、风扇、散热器、中冷器和冷凝器等零部件，如图2.3～2.5所示。 流场计算区域的选取:车头前端空间取车长的三倍,车尾后端空间取车长的五倍,车顶上部空间取车高的五倍,车侧面空间取车宽的五倍[2]。 为了模拟汽车运动过程中发动机舱内部空气的流动情况，需要采用汽车外部流场与发动机舱内部流场耦合求解方法进行。应用Fluent前置处理软件Tgrid生成计算网格，鉴于车体表面和发动机舱内物面形状的复杂性，采用了混和网格生成技术。为了尽可能真实地模拟车体表面和发动机舱内的复杂流动情况，网格必须贴体，非结构化网格对于复杂表面有良好的贴体性，因此，对于发动机舱内部流场区域，由于车轮、发动机、车身、变速箱等表面形状十分复杂，采用了非结构化网格生成流场网格；对于发动机舱外部流场区域，在车体表面附近的流场计算区域，也采用了非结构化网格生成流场网格；同时，在距离汽车较远的流场计算区域，采用了结构化网格。因此,对于整个流场计算区域，生成了结构化、非结构化及棱柱型等组成的混和网格,全流场流体单元数约为857万。 本课题分析了两种方案的流场和温度场,各方案分别为: 方案1:T1底盘加D310车身组成的汽车(如图3.6所示)。 方案2:在方案1基础上去掉冷凝器、中冷器和散热器之间上表面和侧面的隔绝材料,让空气能够从冷凝器、中冷器和散热器之间的上表面和侧面进入到中冷器和散热器里。 本课题分析在车速V＝25km/h时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点时发动机舱的散热特性和
温度场特性。发动机缸盖温度Co80,发动机缸体温度Co90,发动机油底壳温度Co110
。
工况1:在发动机额定功率(功率191KW)点,风扇转速2200rpm；环境温度为Co8.36
；
中冷器内空气流量为23.08kg/min(即0.38467kg/s),中冷器空气的进口温度是Co3.172,出口温度是Co5.62
；
散热器循环水流量为280.0 l/min(即4.67kg/s),发动机的出水温度是Co1.85
(即散热器循环水的进水温度),2005 Fluent 中国用户大会论文集 75 散热器循环水的出水温度是Co4.80；冷凝器中冷却剂温度是Co0.100
。
工况2:在发动机最大扭矩(扭矩1025MN•)点,风扇转速1400rpm,环境温度为 Co3.34,中冷器内空气流量为13kg/min(即0.21667kg/s),中冷器空气的进口温度是Co6.141,出口温度是
Co8.51；散热器循环水流量为175.0 l/min(即2.92kg/s),发动机的出水温度是Co1.83(即散热器循环水的进
水温度),散热器循环水的出水温度是Co9.77；冷凝器中冷却剂温度为Co0.100
。
图2.1 整车几何模型 图2.2 发动机舱内零部件的简化几何模型 2005 Fluent 中国用户大会论文集
76 图2.3 全流场表面网格
图2.4 整车表面网格 图2.5 中冷器、风扇、车轮、散热器和冷凝器表面网格 下面推导用散热器模型模拟散热器、中冷器、冷凝器时的风阻性能和散热性能参数。 2005 Fluent 中国用户大会论文集 77 风通过散热器时存在压强损失和热传递现象,在此可分别用压强损失系数和传热系数来表示。 散热器考虑成无限薄,通过散热器的压强损失假定与流体的动压成正比例,用一个压强损失系数表示,在此,压强损失可以表示为通过散热器的法向风速的函数[3]:
22
1v
PKlρ
Δ= (2.1)
其中, ρ---流体密度；
lK---压强损失系数,可以是常数,或者多项式,分段线性,或者分段多项式函数。
多项式函数： 782321...vAvAvAAKl++++=
(2.2)
散热器传给周围环境的热流量: )(,extdairTThq−= (2.3)
其中, q---热流量；
dairT,---散热器下流空气温度；
extT---散热器中液体参考温度；
h----对流传热系数, 可以是常数,或者多项式,分段线性,或者分段多项式函数。 多项式函数： 782321...vhvhvhhh++++=
(2.4)
其中,
ih----多项式系数；
v----流过散热器的流体速度(m/s)。 可以指定热流量(q)；或者指定对流传热系数(h)和散热器的温度(ext
T),通过在散热器表面积分得到散
热量(q)。 为了模拟散热器的热性能,必需提供热传递系数h关于通过散热器的风速v的函数表达式,为此设热平衡方程为:
)(,extdairpTThA
TmCq−=Δ
= (2.5)
其中, q----热流量(W/2m
)；
m---流体流量(kg/s)；
