1 前言

近年來，隨著商用車發(fā)動機的功率不斷提升，發(fā)動機熱負荷急劇增加，對發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)及車輛熱管理性能開發(fā)提出了更高要求[1-3]。同時隨著國家排放法規(guī)升級，國六排放標準對商用車冷卻性能要求進一步提升，若機艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)的性能匹配和布置不合理會嚴重影冷卻效率，出現(xiàn)熱風回流或逆流等現(xiàn)象，最終引起發(fā)動機進出水溫度較高，熱敏原件表面溫度過高等現(xiàn)象[2]。在這種情況下會導致發(fā)動機的充氣效率降低，燃燒不充分；同時由于機艙內(nèi)局部溫度過高，會導致熱敏原件出現(xiàn)熱害風險，甚至會減少元器件的使用壽命，引起車輛自燃。因此整車熱平衡及熱保護性能開發(fā)成為研究難點與熱點[4]。

 

本文采用 PowerFLOW 流體軟件首先對基礎車型進行熱平衡與熱保護進仿真分析，并與試驗進行對標，建立基于真實幾何的數(shù)字風洞，并建立一套高精度仿真方法，將發(fā)動機水溫誤差控制在 1°C之內(nèi)，熱敏原件表面溫度誤差控制在 5°C 之內(nèi)。

 

針對開發(fā)車型采用建立的數(shù)字風洞進行整車一維與三維耦合的熱平衡及熱保護仿真分析，研究冷卻模塊之間的相對位置、芯體尺寸、風扇位置，風扇侵入量，護風圈深度，密封等因素對整車冷卻系統(tǒng)的影響，通過多目標優(yōu)化，建立響應面，并對各影響因素進行靈敏度分析，尋找出最大影響因素及所占比重，探索整車熱平衡性能的最大潛力，并通過試驗驗證仿真結果的準確性，以期為整車冷卻系統(tǒng)設計提供參考。

 

2、基礎車型熱性能分析及數(shù)字風洞標定

基礎車型為一汽解放某重卡車型，如下圖 1 所示

 

 

圖 1 基礎車型

 

機艙主要包含冷卻模塊、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、車身支架等等，本次分析采用全細節(jié)幾何模型，幾何數(shù)據(jù)沒有刪減，保證整車結構的真實性與完整性，并根據(jù)熱環(huán)境風洞的幾何尺寸建立虛擬的數(shù)字風洞，如圖 2 所示

 

 

(a) 真實風洞        (b)數(shù)字風洞-幾何模型

 

 

(3)數(shù)字風洞-網(wǎng)格模型

圖 2 環(huán)境風洞

 

經(jīng)過多次計算，標定計算模型及數(shù)字風洞邊界條件，最終獲得高精度分析結果，如表 1 和表 2所示。

 

表 1 熱平衡仿真分析與試驗對標

 

表 2 熱平衡對標

 

 

 

從表 1 與表 2 可以看出標定后的數(shù)字風洞仿真結果與試驗結果具有高度一致性，熱平衡水溫誤差小于 1℃，熱害點誤差小于 5℃，為后續(xù)的機艙結構優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

 

2 升級車型熱性能多目標優(yōu)化

針對功率點工況進行重點分析，通過對新車型的機艙流場和溫度場仿真分析，發(fā)現(xiàn)機艙內(nèi)存在明顯的熱風回流和冷卻氣流泄漏等現(xiàn)象，這不僅減少了流經(jīng)冷卻模塊的氣流量，造成發(fā)動機艙空間溫度過高，而且還降低了散熱器的散熱性能，造成發(fā)動機進出水口冷卻液溫度過高。針對發(fā)動機艙內(nèi)存在回流現(xiàn)象以及汽車冷卻系數(shù)過高問題，對冷卻模塊及機艙布置進行優(yōu)化迭代。

 

3.1. 冷卻模塊的多目標優(yōu)化

為了減少 DOE 分析的計算時間，需要對冷卻模塊搭建虛擬臺架模型，如圖 3 所示

 

 

圖 3 虛擬臺架

 

 

圖 4 標定流程

 

邊界條件取自整車分析，標定的流程如圖 4 所示，對標定后的簡化模型建立優(yōu)化空間，如表 3 所示

 

表 3 優(yōu)化變量

 

 

經(jīng)過大量計算建立響應面模型，如圖 5 所示

 

 

(a) 響應面

 

 

(b) Pareto Front (c) Pareto Front

圖 5 多目標優(yōu)化

 

通過 DOE 分析，可以探索到散熱器的優(yōu)化空間為 4°C，通過改變風扇罩，風扇位置及侵入量最大可以改善 2°C，若再更改 CAC 高度則可以改善到 4°C。中冷器的最大優(yōu)化空間為 13°C，主要的影響因素為中冷器本體的高度。經(jīng)過多目標優(yōu)化后可以綜合考慮散熱器的散熱效率及中冷器的散熱效率，選取可以平衡兩目標的設計變量，形成最終的冷卻模塊優(yōu)化方案，將優(yōu)化后的冷卻模塊搭載到整車系統(tǒng)，進行整車熱平衡性能分析

 

3.2. 計算邊界條件

數(shù)字風洞的入口設置為質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口，環(huán)境溫度為 35℃，車輪和風扇真實旋轉，采用 sliding mesh 處理，具體邊界條件如表 4 所示

 

表 4 邊界條件

 

 

 

3.3 計算結果

對比采用基礎狀態(tài)的冷卻模塊與優(yōu)化后的冷卻模塊的整車熱平衡分析結果，見表 5 所示

 

表 5 結算結果

 

 

從分析結果可以看到優(yōu)化冷卻模塊后可以提升許用環(huán)境溫度 2.1℃。由于在對冷卻模塊進行 DOE分析中并未考慮熱風回流的影響，從機艙流場分析可以看到通過冷卻模塊的熱氣流有部分回流到前部與從上進氣格柵處流入的冷卻氣流混合，并有部分再次通過散熱器進行二次加熱，降低散熱效率，見圖 6 所示機艙流場

 

 

圖 6 基礎方案機艙流場

 

因此需要在機艙內(nèi)增加防回流擋板，隔絕熱回流，提升冷卻效率，防回流擋板結構如圖 7 所示

 

 

圖 7 防回流擋板

 

 

圖 8 增加防回流擋板機艙流場

 

增加防回流擋板后的機艙流場分布如圖 8 所示，機艙內(nèi)流動順暢，沒有熱風回流和逆流出現(xiàn)，并且可以引導從上進氣格柵流入的冷卻氣流流經(jīng)冷卻模塊，提高通過冷卻散熱器的氣流量，提升換熱效率。

 

4 結果驗證

采用上述優(yōu)化方案可以滿足整車熱平衡性能開發(fā)目標需求，為驗證實車最終的熱平衡性能，進行整車熱環(huán)境風洞試驗，試驗結果如下表 6 所示

 

表 6 優(yōu)化結果統(tǒng)計

 

 

對比試驗結果與仿真結果可以看到仿真誤差小于 1℃，優(yōu)化冷卻模塊及增加防回流擋板均可提升整車的最大許用環(huán)境溫度，使整車的最大許用環(huán)境溫度大于目標值，滿足性能開發(fā)目標。

 

5 結論

1）建立了數(shù)字環(huán)境風洞，熱平衡仿真分析精度為 1℃，重點關心部位熱害仿真精度為 5℃，可以有效支撐熱管理性能開發(fā)并提升研發(fā)效率。

2）冷卻模塊的空間布置及各芯體之間的相對位置對散熱器性能有較大影響，目前優(yōu)化空間下，中冷器的高度對散熱器的散熱性能影響最大。

3）合理地增加防回流擋板可以有效提升散熱器的散熱性能。

 

資料來源：達索官方