李 靖，高達(dá)義，Luis Herrera，劉 洋，鄭偉奇，孫權(quán)海

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛而言，發(fā)動機(jī)工作時會產(chǎn)生大量熱，一部分熱量會在發(fā)動機(jī)艙以及排氣系統(tǒng)周圍區(qū)域聚集。這些區(qū)域內(nèi)密布塑料、橡膠、植絨等易燃材料，熱量的不合理聚集會演變?yōu)闊岷Γl(fā)零部件失效甚至起火等事故。因此，對整車關(guān)鍵部位進(jìn)行熱害分析具有重要意義。

目前，國內(nèi)外研究汽車熱管理問題時采用的手段主要是試驗與仿真[1]。雖然試驗是最直接、可靠的手段，但其存在周期長、成本高、數(shù)據(jù)離散等局限性。而相比之下，仿真手段則具有周期短、成本低、結(jié)果數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)勢。傳統(tǒng)三維CFD仿真是進(jìn)行汽車熱分析的主流方法。謝暴等基于CFD軟件中的STAR-CCM+，分析了某車型發(fā)動機(jī)艙的冷流場，提出了其前端進(jìn)氣格柵的優(yōu)化方案[2]。肖國權(quán)等采用STAR-CD軟件，選用高雷諾數(shù)的k-ε兩方程湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)及共軛換熱和DO輻射換熱模型對轎車的熱環(huán)境狀況進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)模擬，給出了發(fā)動機(jī)艙和排氣系統(tǒng)及部件的溫度分布情況[3]。從這些研究中可以看出，傳統(tǒng)三維CFD仿真分析占用硬件資源巨大，效率較低。有研究者發(fā)現(xiàn)，引入一維仿真軟件可以在保證仿真精度的情況下極大地提高計算效率。梁小波等分別采用一維軟件KULI、三維軟件Fluent和一維/三維聯(lián)合仿真工具，分析了某款新轎車的冷卻系統(tǒng)性能，結(jié)果顯示一維/三維聯(lián)合仿真在汽車熱管理分析中的優(yōu)越性[4]。這種一維/三維聯(lián)合仿真的缺陷在于一維部分屬于系統(tǒng)級仿真，所以無法獲得相應(yīng)部分的全面數(shù)據(jù)。德國的Luis Herrera博士介紹了一種CFD與熱管理軟件RadTherm耦合計算模擬汽車發(fā)動機(jī)艙和車身底部溫度分布的方法[5]，并在其博士論文中詳細(xì)闡述了這一方法在整車開發(fā)過程中的實(shí)際運(yùn)用[6]。陳鴻明等使用類似方法計算了某受熱零件的溫度隨不同工況而變化的曲線，并通過計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，驗證了瞬態(tài)熱分析的可行性[7]。這種仿真方案能夠兼顧C(jī)FD軟件和熱管理軟件的優(yōu)勢，既能全面地分析流場，又能快速準(zhǔn)確地計算熱輻射和熱傳導(dǎo)。

引用格式：

本文采用三維CFD軟件Star CCM+與專業(yè)熱管理軟件Taitherm（RadTherm軟件已更名為Taitherm）聯(lián)合使用的方案，建立一種耦合仿真方法。利用此方法對某款整車的對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射情況進(jìn)行計算，以得到在特定工況下的溫度分布情況。在此基礎(chǔ)上對整車關(guān)鍵部位熱害形成機(jī)理進(jìn)行分析，最后進(jìn)行實(shí)車試驗對該耦合仿真方法進(jìn)行驗證。

1 耦合計算原理

汽車熱害問題涉及到對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射三種傳熱方式，利用CFD軟件對熱害問題進(jìn)行仿真分析時計算量巨大，耗時較長?？紤]到專業(yè)的熱管理軟件Taitherm可以高效、準(zhǔn)確地計算熱傳導(dǎo)與熱輻射，可搭建Star CCM+和Taitherm之間數(shù)據(jù)實(shí)時交互的耦合仿真平臺，將熱傳導(dǎo)與熱輻射交由Taitherm處理，Star CCM+只負(fù)責(zé)計算對流換熱部分，從而共同發(fā)揮其在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢。圖1為Star CCM+與Taitherm耦合仿真原理圖，其基本流程為：在給定初始壁面溫度的基礎(chǔ)上Star CCM+計算對流換熱得到壁面對流換熱系數(shù)α與壁面附近流體溫度TFluid；耦合仿真平臺讀取對流換熱系數(shù)α與流體溫度TFluid后將其導(dǎo)入Taitherm進(jìn)行計算，得到壁面溫度Tbauteil；耦合仿真平臺將此壁面溫度Tbauteil輸入到Star CCM+中作為邊界條件進(jìn)行下一個計算循環(huán)。通過多次耦合迭代至收斂后，可以獲得最終計算結(jié)果。

1.1 CFD仿真模型

將整車對流換熱視為三維、定常、不可壓對流換熱問題，借助三維CFD軟件Star CCM+進(jìn)行計算可獲得全面而詳細(xì)的對流換熱系數(shù)分布。滿足以下控制方程[8]。

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

式（1）～（3）中所有量均為空氣的物理量，其中u為速度分量；p為壓力；T為溫度；μ為動力粘性系數(shù)；F為質(zhì)量力；p為密度為密度；Cp為定壓比熱；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

整車幾何模型和計算域如圖2所示。計算域分為空氣計算域和旋轉(zhuǎn)域。空氣域內(nèi)生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為8 000萬個左右。旋轉(zhuǎn)域采用MRF模型以模擬風(fēng)扇及車輪的旋轉(zhuǎn)。湍流模型選擇Realizablek-ε模型。冷凝器模型采用單流體多孔介質(zhì)模型，中冷器和主散熱器采用雙流體多孔介質(zhì)模型。空氣域入口設(shè)置為速度入口邊界條件，速度大小為40 km/h、80 km/h和110 km/h，溫度為45 ℃。地面設(shè)置為壁面邊界條件，溫度為70 ℃。空氣視為理想氣體。

邊界條件如圖3所示。

圖2 整車幾何模型及計算域網(wǎng)格示意圖

圖3 邊界條件示意圖

1.2 Taitherm仿真模型

整車熱傳導(dǎo)和熱輻射的仿真計算借助專業(yè)熱管理軟件Taitherm完成。輻射換熱率通過以下公式計算[7]。

表面i的凈輻射換熱速率計算：

式中：qi為表面i的凈輻射換熱速率；Ji為i表面有效輻射密度；Jj為j表面有效輻射密度；Ai為i表面面積；Fij為視角系數(shù)，表示j表面所攔截的離開i表面輻射的份額，

為了與Star CCM+實(shí)現(xiàn)耦合，需要在Taitherm中建立與Star CCM+整車模型對應(yīng)的熱力學(xué)模型。Taitherm模型與Star CCM+模型的被耦合部分在幾何上具有一對一映射關(guān)系。

Taitherm中需要建立兩部分模型：固體模型和一維管流模型。其中固體模型可以設(shè)定材料的層數(shù)，材料厚度，以及各項熱力學(xué)屬性。為了詳細(xì)反映車身底板等部位的多層材料特性，在Taitherm中將其設(shè)定為5層材料，并定義每種材料的物性參數(shù)，如圖4所示。

圖4 車身底板材料示意圖

一維管流模型主要用于模擬排氣管中熱廢氣的流動。如圖5所示，建立一維管流需要對排氣管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，并沿廢氣流動方向生成流體節(jié)點(diǎn)。對排氣管模型而言內(nèi)外表面都存在流體，因此參數(shù)設(shè)定也會較普通零件更為復(fù)雜。對于外表面的對流換熱條件，設(shè)定與其它零部件一樣，只需要與CFD模型耦合即可；而對于內(nèi)表面，則需要根據(jù)排氣管形狀分段進(jìn)行設(shè)定。排氣管內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)也需要分情況討論。

圖5 排氣管一維管流模型

對流換熱系數(shù)計算：

式中：λ為熱導(dǎo)率；l為管長；Nu為平均努塞爾數(shù)。

對于大部分情況，平均努塞爾數(shù)Nu可以依據(jù)葛列林斯基（Gnilinski）公式計算[9]：

式中：f為管內(nèi)流動阻力；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；CAF為修正系數(shù)[10]；Nuwirklich為實(shí)際努塞爾數(shù)；Nutheoretisch為計算努塞爾數(shù)。

2 仿真結(jié)果

在Star CCM+中計算并得到穩(wěn)定的流場后，開始進(jìn)行耦合迭代求解。由被監(jiān)控的變量收斂曲線可知計算已經(jīng)收斂。圖6為80 km/h工況下，各監(jiān)控變量的收斂情況。

圖6 車速80 km/h工況各變量收斂曲線

在耦合計算過程中，Star CCM+與Taitherm每輪迭代都會進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換。耦合過程輸出數(shù)據(jù)的溫度分布云圖和對流換熱系數(shù)云圖如圖7和圖8所示。

首先，健全法律體系。憲法和法律是依法治國的重要依據(jù)，立法是落實(shí)依法治國基本方略，建設(shè)社會主義法治國家的根本環(huán)節(jié)。因此要堅持從國情出發(fā)，在政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會等諸多領(lǐng)域建立健全法律、法規(guī)，完善社會主義法律體系，使社會主義各項事業(yè)有法可依。為了保證國家政權(quán)專政職能的發(fā)揮，必須有一套法律法規(guī)作保障。這就要求進(jìn)一步完善刑事立法和打擊各種犯罪的法律法規(guī)，善于借鑒西方法律制度，使社會治安方面的法律法規(guī)更加健全，為依法行使專政職能提供法律依據(jù)和保障，穩(wěn)、準(zhǔn)、狠的打擊刑事犯罪，維護(hù)社會秩序，鞏固人民民主專政。

圖7 溫度分布云圖

圖8 對流換熱系數(shù)云圖

計算收斂后，在Star CCM+中可以通過后處理查看整車零部件溫度場分布，整車流線，各截面的流體溫度云圖、速度云圖、向量圖等，以供分析。圖9為80 km/h工況整車溫度場及流線示意圖；圖10為80 km/h工況中截面速度云圖；圖11為80 km/h工況中截面溫度云圖。

圖9 車速80 km/h工況整車溫度場及流線示意圖

圖10 車速80 km/h工況中截面速度云圖

圖11 車速80 km/h工況中截面溫度云圖

在Taitherm中可以查看零部件表面溫度分布，獲得零部件各位置各層各表面的溫度值，如圖12所示。此外，還可以通過Taitherm批量輸出關(guān)注點(diǎn)溫度結(jié)果，方便分析仿真結(jié)果或與溫度測量試驗結(jié)果進(jìn)行對比。

圖12 多層材料零件在Taitherm中的溫度結(jié)果

3 試驗對比

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇了40 km/h，80 km/h和110 km/h三種車速工況，多個位置多個測量點(diǎn)與實(shí)車試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

這些測量點(diǎn)分布在排氣管、車身底板和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，分別是排氣管排氣溫度11個測量點(diǎn)，排氣管表面18個測量點(diǎn)，車身底板8個測量點(diǎn)，ESP及附件表面3個測量點(diǎn)，制動助力器4個測量點(diǎn)，前圍板隔音墊表面若干個測量點(diǎn)。圖13為部分試驗測量點(diǎn)照片。

3.1 排氣管溫度對比

圖13 部分測量點(diǎn)照片

排氣管作為高溫?zé)嵩粗?，其仿真的?zhǔn)確性會直接影響整個車身底部溫度場分布的精確度。而且在不同車速下，排氣管的排氣量和排氣溫度有所不同，這會導(dǎo)致排氣管表面溫度也有所差別。

為了深入研究排氣管排氣及表面溫度仿真的準(zhǔn)確性，選取了11個排氣溫度對比點(diǎn)和18個表面溫度對比分析點(diǎn)。為了更直觀地顯示出試驗與仿真的對比結(jié)果，將試驗與仿真的溫度結(jié)果按照排氣管排氣流動的方向排列并生成排氣沿程溫度曲線。圖14為80 km/h工況下，排氣溫度對比及排氣溫度沿程對比曲線。表1是不同車速下的排氣溫度對比（表格展示了9個對比結(jié)果，未列出所有對比點(diǎn)）。

圖14 車速80 km/h工況排氣溫度對比

表1 不同車速排氣溫度對比表

通過對比，可以看出，排氣溫度最大誤差為12.8%，而排氣管表面溫度誤差率大部分在15.5%以內(nèi)。而且從排氣管排氣沿程溫度及表面沿程溫度曲線對比來看，仿真結(jié)果與實(shí)際測量溫度值能夠較好地吻合。因此，可以認(rèn)為這一模型有效地模擬了排氣管的排氣和排氣管表面溫度分布。

圖15 車速80 km/h工況排氣管表面溫度對比

表2 不同車速排氣管表面溫度對比表

3.2 車身底板溫度對比

車身底部沿排氣管區(qū)域設(shè)計有專門的隔熱板，用于隔絕排氣管熱量向車身傳遞的路線，而車身底板溫度分布的仿真能夠幫助更好地優(yōu)化隔熱板。

圖16為80 km/h工況下，車身底板溫度對比（此處的溫度測量點(diǎn)都位于車身底板隔熱板后，屬于隔熱板保護(hù)區(qū)域）。表3是不同車速下的車身底板溫度對比。

圖16 車速80 km/h工況車身底板溫度對比

表3 不同車速下車身底板溫度對比表

通過不同車速時車身底板不同位置的溫度對比，可以看出，底板上的溫度誤差基本在8℃（15.6%）以內(nèi)， 仿真結(jié)果與實(shí)際測量溫度值能夠較好地吻合。因此，可以認(rèn)為這一模型能準(zhǔn)確地模擬車身底板溫度分布。

3.3 其它零部件溫度對比

除排氣管和車身底板外，還選擇了一些位于發(fā)動機(jī)艙存在熱害風(fēng)險的零部件作為對比分析對象。位于前機(jī)艙內(nèi)的ESP泵及其附件、真空助力器表面、前圍板隔音墊等。上述零部件對比測量點(diǎn)位置如圖17所示。表4則是不同車速ESP、BKV及前圍板隔音墊溫度對比（表格展示了9個對比結(jié)果，未列出所有對比點(diǎn)）。

通過不同車速時各測量點(diǎn)的溫度對比，可以看出，ESP泵及其附件的溫度最大誤差為6.9 ℃(9.3%)；真空助力器表面的溫度最大誤差為5.2 ℃(7.9%)，前圍板的溫度誤差也基本在5.2 ℃(8.5%)以內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)際測量溫度值能夠較好地吻合。因此，可以認(rèn)為這一模型能夠準(zhǔn)確地模擬被關(guān)注零部件的溫度分布。

圖17 車速80 km/h工況下，ESP、BKV及前圍板隔音墊溫度對比

表4 不同車速ESP、BKV及前圍板隔音墊溫度對比

4 結(jié)論

通過實(shí)際車型的零部件模擬計算，檢驗了數(shù)值流體力學(xué)軟件Star CCM+和專業(yè)三維熱仿真分析軟件Taitherm耦合模擬計算是分析發(fā)動機(jī)艙和車身底部零部件溫度的可靠方法。通過在不同車速情況下，不同位置的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了這一耦合計算方法可以反映出車輛在行駛工況中各零部件的溫度分布情況，且計算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

這一方法可以在整車熱力學(xué)相關(guān)開發(fā)過程中發(fā)揮重要作用。一方面，可以作為前期開發(fā)階段的工具，其計算結(jié)果可為熱力學(xué)相關(guān)部件提供設(shè)計依據(jù)；另一方面，其計算結(jié)果也可作為設(shè)計整車零部件溫度測量試驗方案的輸入。此外，對于某些局部熱害情況分析，零部件優(yōu)化等，該方法也是十分有效的分析手段。

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