趙慧，魏名山，宋盼盼

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.清華大學(xué)汽車(chē)工程系汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度更高、空間布置更加緊湊，熱負(fù)荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻面臨著更大的挑戰(zhàn)。冷卻系統(tǒng)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部各部件的正常工作溫度，避免氣缸壁被過(guò)熱氣體損壞。如果冷卻系統(tǒng)的散熱效果差，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，將會(huì)出現(xiàn)充氣效率下降、燃燒不正常、潤(rùn)滑油性能變差和供油系統(tǒng)易產(chǎn)生氣阻等現(xiàn)象，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性變差，局部溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致橡膠條或電線軟化，甚至引起自燃[1]。隨著渦輪增壓技術(shù)逐漸普及，降低增壓后高溫進(jìn)氣溫度的中冷器成為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部分，保證中冷器的有效散熱對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作很有必要。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱管理就是通過(guò)研究艙內(nèi)復(fù)雜的氣流流動(dòng)和傳熱過(guò)程，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的各個(gè)零件在不同工況下能正常運(yùn)行，通過(guò)改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)來(lái)提高各部件的性能，降低成本。發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理涉及造型、總布置、工藝、電器等多方面，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要研究?jī)?nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流阻力的研究、發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性的研究和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)研究[2]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)分析各子系統(tǒng)之間的相互影響要付出很大的代價(jià)。利用CFD數(shù)值計(jì)算具有計(jì)算成本低、設(shè)計(jì)周期短、可預(yù)先研究、無(wú)條件限制、信息豐富、可以直觀形象快速地評(píng)價(jià)各項(xiàng)性能參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。CFD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻水和動(dòng)力艙空氣流場(chǎng)的定量研究和分析，可以對(duì)不同方案進(jìn)行模擬分析。V. A. Romanov等[3]通過(guò)數(shù)學(xué)建模對(duì)冷卻液進(jìn)入冷卻水套的不同進(jìn)口位置進(jìn)行了對(duì)比，得到了快速降低水套表面溫度的布置方式；葉雙平[4]針對(duì)某經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)模擬了爬坡和高速兩種典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的內(nèi)外流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，為機(jī)艙布置、散熱情況提供了有效的參考依據(jù)，并提出了優(yōu)化散熱性能的方法。

本研究建立了側(cè)置式重型發(fā)動(dòng)機(jī)艙及內(nèi)部冷卻模塊的流動(dòng)與傳熱耦合仿真模型，通過(guò)對(duì)散熱器和中冷器的溫度場(chǎng)和艙內(nèi)冷卻空氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，分析了中冷器和散熱器的布置形式對(duì)冷卻性能的影響。

1 建立模型

1.1 物理模型

發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型由發(fā)動(dòng)機(jī)艙、進(jìn)氣格柵、散熱器、中冷器、風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量大，故本研究將對(duì)計(jì)算影響較小的發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)節(jié)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，省略直徑小于6 mm的管路和小型螺釘，將螺孔填平，同時(shí)保證原始幾何模型的特征，在Solid works環(huán)境下建立了三維模型，并依據(jù)原始位置裝配關(guān)系，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)艙幾何模型(見(jiàn)圖1)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙幾何模型

本研究所參考的發(fā)動(dòng)機(jī)為側(cè)置式發(fā)動(dòng)機(jī)，布置于車(chē)輛中部的一側(cè)，布置示意見(jiàn)圖2。側(cè)置式布置方式使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻空氣需從發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)有限的進(jìn)口格柵進(jìn)入，從后側(cè)出口格柵流出，外側(cè)的高流速氣體阻礙冷卻空氣流動(dòng)并產(chǎn)生氣阻，內(nèi)側(cè)其他零件布置也限制了冷卻空氣的流動(dòng)，所以計(jì)算中將發(fā)動(dòng)機(jī)艙除進(jìn)出口格柵外的壁面定義為封閉壁面，有限的空間對(duì)冷卻模塊的散熱性能也提出了更高的要求。研究的兩種中冷器和散熱器布置形式見(jiàn)圖3和圖4。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，所以上下布置的中冷器和散熱器面積均有減小，具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖3、圖4和表1。

圖2 側(cè)置式發(fā)動(dòng)機(jī)布置示意(側(cè)視圖和俯視圖)

圖3 散熱器和中冷器前后布置示意

圖4 散熱器和中冷器上下布置示意

參數(shù)前后布置上下布置散熱器高度/m0．7580．5散熱器長(zhǎng)度/m0．770．77散熱器迎風(fēng)面積/m20．5840．385中冷器高度/m0．40．25中冷器長(zhǎng)度/m0．740．74中冷器迎風(fēng)面積/m20．2960．185

1.2 數(shù)值模型

1.2.1基本控制方程

汽車(chē)正常運(yùn)行工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻空氣流速低于1/3當(dāng)?shù)芈曀?，流體可作為不可壓縮理想流體處理[5]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流體的流動(dòng)特性，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，由Launder和Spalding[6]在1972年提出。

計(jì)算中采用的基本控制方程[7]如下：

連續(xù)性方程：

(1)

式中：Sm為源項(xiàng)。

動(dòng)量方程：

(2)

式中：p為靜壓；τij為應(yīng)力張量；ρgi為重力；Fi為外部力。

能量方程：

(3)

式中：keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；h為焓；J為擴(kuò)散流量；Sh為熱源項(xiàng)。

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型數(shù)學(xué)表達(dá)式[8]如下：

湍流動(dòng)能κ方程：

(4)

湍流能耗散方程：

(5)

式中：Gκ為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ρκ，ρε分別是與κ和ε對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)；Sκ，Sε為源項(xiàng)。

1.2.2網(wǎng)格劃分

利用Star-CCM+軟件對(duì)模型分區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，用小尺寸網(wǎng)格對(duì)外形復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行包面，再劃分網(wǎng)格。散熱器和中冷器內(nèi)部流場(chǎng)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化劇烈，所以對(duì)冷卻模塊計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最大單元尺寸為30 mm，最小網(wǎng)格尺寸為3 mm，整個(gè)計(jì)算域共生成約149萬(wàn)的多面體網(wǎng)格，發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱切面上的網(wǎng)格見(jiàn)圖5。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱切面網(wǎng)格

1.2.3邊界條件設(shè)定

假設(shè)將發(fā)動(dòng)機(jī)艙放在空曠的大氣環(huán)境中模擬計(jì)算，即計(jì)算域使用發(fā)動(dòng)機(jī)艙前3倍機(jī)艙長(zhǎng)，艙后5倍發(fā)動(dòng)機(jī)艙長(zhǎng)，左右各3倍發(fā)動(dòng)機(jī)艙寬，上下各3倍發(fā)動(dòng)機(jī)艙高的足夠大的六面體空間[9]。計(jì)算域的邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口(velocity inlet)、壓力出口(pressure outlet)。空氣進(jìn)口速度為車(chē)輛行駛速度20 m/s，環(huán)境溫度45 ℃，湍流強(qiáng)度為1%，出口相對(duì)壓力為0。認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣的流動(dòng)和溫度不再隨時(shí)間的變化而變化，故采用定常計(jì)算。忽略重力影響，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣密性良好，不考慮太陽(yáng)輻射。固體散熱壁面輸入壁面溫度值。中冷器和散熱器如果按照實(shí)際的尺寸劃分網(wǎng)格，加上復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的網(wǎng)格，計(jì)算量將超過(guò)計(jì)算機(jī)的承受范圍，故定義為多孔介質(zhì)和傳熱單元模型，其慣性阻尼系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)可根據(jù)Darcy法則擬合壓降試驗(yàn)曲線(見(jiàn)圖6和圖7)得到；使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到不同流量下的冷卻空氣的單位換熱系數(shù)。散熱器冷卻液和中冷器熱側(cè)空氣進(jìn)口溫度和流量見(jiàn)表2。風(fēng)扇使用MRF(Moving Reference Frame)模型建模，轉(zhuǎn)速為2 541 r/min。動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散。

圖6 散熱器冷卻空氣壓降試驗(yàn)曲線

圖7 中冷器冷側(cè)空氣壓降試驗(yàn)曲線

參數(shù)散熱器中冷器冷卻液(熱側(cè)空氣)進(jìn)口溫度/℃93180．8流量/kg·s-18．140．6

多孔介質(zhì)上的壓降規(guī)律用Darcy’s 法則描述，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6)

(7)

式中：μ為黏性阻力系數(shù)；α為孔隙率；C2為慣性阻力系數(shù)；v為多孔介質(zhì)表面風(fēng)速；Δm為多孔介質(zhì)的厚度；pi為慣性阻尼；pv為黏性阻尼。

擬合散熱器的壓降曲線可得散熱器的pi=82.46 m-1，pv=539.22 m-2。

擬合中冷器的壓降曲線可得中冷器的pi=27.76 m-1，pv=180.21 m-2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

設(shè)置監(jiān)測(cè)項(xiàng)為連續(xù)(Continuity)殘差小于1×10-4，計(jì)算500步左右收斂，且進(jìn)出口流量監(jiān)測(cè)顯示進(jìn)口流量總和趨于0。殘差曲線見(jiàn)圖8。

圖8 計(jì)算殘差曲線

本計(jì)算中，中冷器和散熱器上下布置時(shí)散熱器的迎風(fēng)面積是前后布置時(shí)的66%(見(jiàn)表1)，中冷器迎風(fēng)面積只使用了前后布置時(shí)中冷器迎風(fēng)面積的63%。而從表3可以看出，中冷器置于散熱器下方時(shí)，中冷器的熱側(cè)空氣出口溫度比前后布置時(shí)降低了20.93 ℃。采用上下布置結(jié)構(gòu)時(shí)，在僅使用中冷器63%散熱面積的情況下，出口溫度降低24%，散熱效果大大增強(qiáng)。中冷器與散熱器采用上下布置時(shí)，散熱器迎風(fēng)面積減少34%，其出口溫度僅升高了0.27 ℃，并未發(fā)生明顯變化。結(jié)果說(shuō)明，中冷器和散熱器上下布置時(shí)的散熱效果比前后布置時(shí)更好，更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。另一方面，在節(jié)約大約40%的中冷器和散熱器材料的情況下，散熱器保持原有散熱效果，中冷器的散熱效果提高了24%，上下布置形式能夠有效提高材料利用率。

表3 兩種布置形式下中冷器和散熱器出口溫度對(duì)比

由圖9局部速度矢量圖和表4兩種布置形式下的流速和流量對(duì)比可以看出：中冷器和散熱器上下布置時(shí)，通過(guò)中冷器的冷卻空氣受到的阻力減小，流速明顯加快，比前后布置時(shí)的流速加快了89%；散熱器前的冷卻空氣不再通過(guò)中冷器，流速提高了3%，雖然上下布置減少了34%的散熱器迎風(fēng)面積和37%的中冷器迎風(fēng)面積，但中冷器的流量是前后布置時(shí)的129%，散熱器的流量仍在保持在60%，流速增加而提高冷卻空氣的流量將有利于散熱。

圖9 z=0.5 m處局部截面速度矢量圖

參數(shù)前后布置上下布置散熱器冷卻空氣流量/kg·s-13．752．25散熱器冷卻空氣流速/m·s-17．217．45中冷器冷卻空氣流量/kg·s-11．541．99中冷器冷卻空氣流速/m·s-16．0311．4注：流速和流量取散熱器和中冷器迎風(fēng)面各點(diǎn)的平均值。

由圖10所示冷卻模塊局部溫度場(chǎng)和表5所示兩種布置形式下的冷卻空氣溫度可知，上下布置時(shí)，散熱器前的冷卻空氣是車(chē)艙外未經(jīng)換熱的冷空氣，而不是通過(guò)中冷器加熱后的空氣，溫度下降了8.86 ℃。上下布置時(shí)通過(guò)中冷器的冷卻空氣流速明顯提高，使得中冷器前的冷卻空氣溫度下降了3.12 ℃。通過(guò)散熱器和中冷器的冷卻空氣溫度較低，有利于散熱器和中冷器的散熱，提高換熱效率，增強(qiáng)散熱效果。

由圖11中冷器和散熱器y,z方向截面溫度場(chǎng)可以看出，前后布置時(shí)，中冷器在z=0.5 m截面附近的溫度是154 ℃；上下布置時(shí)，中冷器在z=0.5 m截面附近的溫度已降低至68 ℃。這說(shuō)明采用上下布置形式時(shí)中冷器散熱效果優(yōu)于前后布置。

圖10 z=0.5 m處局部截面溫度場(chǎng)

參數(shù)前后布置上下布置散熱器前冷卻空氣平均溫度/℃79．6470．78散熱器后冷卻空氣平均溫度/℃92．7191．83中冷器前冷卻空氣平均溫度/℃57．7154．59中冷器后冷卻空氣平均溫度/℃108．14108．5

圖11 中冷器和散熱器y,z方向截面溫度場(chǎng)

3 結(jié)論

a) 中冷器與散熱器上下布置時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間限制，在迎風(fēng)面積分別減小37%和34%的情況下，中冷器出口溫度降低了20.93 ℃，散熱器出口溫度僅升高了0.27 ℃，使用上下布置形式的散熱效果優(yōu)于前后布置結(jié)構(gòu)；

b) 中冷器和散熱器上下布置時(shí)，在節(jié)約中冷器和散熱器大約40%材料的情況下，散熱器保持原有散熱效果，中冷器的散熱效果提高了24%，說(shuō)明上下布置形式能有效提高材料利用率。

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