張 成陸增俊韋尚軍

(1.廣西壯族自治區(qū)汽車內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)站，廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545005)

引言

商用車的內(nèi)部空間的零件分布十分緊密，對(duì)內(nèi)部對(duì)流換熱形成較大阻力[1]。隨著商用車的承重性能和動(dòng)力的需求不斷提升，間接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量持續(xù)增大。有可能導(dǎo)致橡膠件或電線軟化，甚至?xí)p少元器件的使用壽命，引起汽車自燃。因此，設(shè)計(jì)的初始階段，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱量進(jìn)行仿真，避免出現(xiàn)熱量聚集區(qū)[2,3]。

早期的散熱分析要在原型車制造出來才能實(shí)施 ，開發(fā)時(shí)間長并且成本高。而現(xiàn)在普遍采用的計(jì)算機(jī)CFD仿真[4]，可以快速的預(yù)測(cè)熱源產(chǎn)生的位置，并且根據(jù)流場的情況進(jìn)行散熱分析。目前，許多研究人員在這方面做了大量研究。鄧康耀教授[5]對(duì)汽車排氣系統(tǒng)熱端采取CFD分析，根據(jù)熱源分布進(jìn)行隔熱罩的設(shè)計(jì)，以隔離高溫保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部零件；針對(duì)某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱過高的問題，王豐之[6]對(duì)其進(jìn)行熱管理分析，并根據(jù)流場的結(jié)果采用導(dǎo)流罩導(dǎo)流的辦法增加散熱器進(jìn)風(fēng)量，有效的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱效率；Vivek Kumar教授[7]通過用有限元結(jié)合Flow Network Modeling的方法，對(duì)車輛內(nèi)流場與熱場進(jìn)行析，并且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，達(dá)到預(yù)期要求。

本研究基于CFD流體力學(xué)原理與傳熱學(xué)原理，對(duì)某國產(chǎn)重型商用車進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，找出造成其發(fā)動(dòng)機(jī)艙產(chǎn)生熱害的來源，并且根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 基本控制方程

因?yàn)檫M(jìn)入商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流速較低，氣流密度變化不大，可以近似為常數(shù)[8]。由于艙內(nèi)模型復(fù)雜 ,容易引起分離 ,所以應(yīng)按湍流處理。各基本控制方程表示如下：

質(zhì)量守恒方程，微分表達(dá)法：

(1)

式中，ρ—— 密度

μ—— 速度矢量

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中,μi—— 平均速度分量，m/s

p—— 靜壓力，MPa

xi—— 對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分量

μeff—— 湍流有效黏性系數(shù)

溫度能量守恒：

(3)

式中，T—— 溫度，℃

k—— 流體的傳熱系數(shù)

cp—— 比熱容，J/(kg·℃)

ST—— 流體的黏性耗散項(xiàng)

湍流動(dòng)能k方程：

-ρε-YM+Sk

(4)

湍動(dòng)能耗散方程：

(5)

式中,Gb—— 氣流引起的湍流能量

GK—— 表明由速度梯度引起的湍流能量[9]

YM—— 湍流脈動(dòng)擴(kuò)展對(duì)總耗散率的影響是湍流能量耗散率

ε—— 即湍流有效黏性系數(shù)

ρ—— 空氣密度，kg/m3

C1ε和C2ε為參考常數(shù)，取C1ε=1.6和C2ε=1.5；為區(qū)域源系數(shù)。并且湍流流動(dòng)能量的湍流數(shù)及耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，取σk=1.1，σε=1.3。

根據(jù)牛頓冷卻公式，在相對(duì)移動(dòng)的流體和接觸溫度不同的固體壁之間[10]，流體從較高溫度側(cè)傳導(dǎo)。

熱對(duì)流方程：

Q=hA(tw-tf)

(6)

式中，Q—— 對(duì)流換熱熱量

A—— 與流體接觸的壁面積，也稱為熱交換面積

tw—— 固體表面溫度

tf—— 環(huán)境溫度

熱輻射方程：

(7)

式中，Q—— 熱輻射力

σ—— 輻射系數(shù)

ε—— 輻射率

tw—— 表面溫度

tf—— 環(huán)境溫度

2 模型建立與仿真分析

2.1 模型建立

由于商用車模型有許多部件，若全部分析將非常費(fèi)時(shí)，受計(jì)算機(jī)硬件限制；因此僅對(duì)冷卻系統(tǒng)、前格柵、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和排氣管等零部件參照實(shí)物尺寸進(jìn)行建模，將一些與熱分析不相干的零件去除[11]。并且在滿足計(jì)算精度要求下，需要對(duì)部分零部件進(jìn)行優(yōu)化處理，具體建模如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙簡化模型

2.2 邊界設(shè)定與網(wǎng)格劃分

本次仿真設(shè)計(jì)是按照卡車散熱量最多的最大扭矩工況，相關(guān)熱源是根據(jù)該工況的實(shí)測(cè)值進(jìn)行設(shè)置。該工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是1500 r/min，環(huán)境溫度設(shè)定是30 ℃，車速v=20 km/h，計(jì)算邊界條件設(shè)置如表1所示。 入口邊界是速度狀態(tài)，風(fēng)速是車輛行駛狀態(tài)的車速。 且方向平行于地面，湍流強(qiáng)度i=0.01；出口為壓力出口狀態(tài)；入口和出口溫度與測(cè)試溫度一致。冷凝器和散熱器使用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行仿真，功率分別設(shè)置是65 kW和110 kW。 對(duì)流換熱模型采用Bossinesq模型，對(duì)傳熱系數(shù)設(shè)置為1.5 W/(m2·℃)；熱輻射采用Rosseland模型，輻射系數(shù)設(shè)置為0.05 W/m3(根據(jù)排氣管材料設(shè)置)。設(shè)置某些組件的初始熱邊界，如表2所示。

表1 邊界條件

表2 部分熱源

流體域尺寸為：50 m×40 m×35 m，如圖2所示。在對(duì)整體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)艙的外流場區(qū)域取大尺寸網(wǎng)格，而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密[12]，以此提高計(jì)算精度。生成的網(wǎng)格總數(shù)約為1800萬個(gè)。

圖2 模型三維計(jì)算區(qū)域

2.3 仿真結(jié)果分析

在CFD軟件中設(shè)置距離地面1.5 m的水平切面進(jìn)行分析。從圖3a水平切面流場矢量圖可以看出，空氣在擋泥板兩端處速度較高，并且氣流被排氣管加熱后直接吹向氣囊，造成局部熱流聚集。

從圖3b水平切面溫度云圖和等軸側(cè)溫度云圖，可以看出外漏的排氣管熱輻射與熱流對(duì)橡膠氣囊和底部擋泥板都有影響，部分區(qū)域超過65 ℃，影響塑料部件的工作狀態(tài)和安全。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場云圖

為了對(duì)比仿真模擬和的可靠性，在相同工作條件下進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。 采用INTEST數(shù)字采集設(shè)備，在排氣管下方縱向間隔15 mm布置6個(gè)熱電偶傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)出一定范圍內(nèi)其輻射的溫度如圖4所示。 通過測(cè)試和模擬之間的比較獲得六個(gè)測(cè)量點(diǎn)和計(jì)算值之間的差異，如表3所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)點(diǎn)位置仿真值/℃實(shí)測(cè)值/℃誤差/%①71.568.34.4②68.266.42.6③61.459.72④72.169.24⑤65.763.82.8⑥62.258.16.5

從表3可以看出，試驗(yàn)得出的溫度值和仿真值有一定的誤差。 主要建模中的一些地方簡化了處理，實(shí)際情況還可能存在零部件之間相互熱傳導(dǎo)。但誤差值在10%以內(nèi)，這可以解釋模擬結(jié)果的正確性。 所以溫度試驗(yàn)結(jié)果只能作為驗(yàn)證的一個(gè)參照。

總之，由于排氣管的輻射熱與行駛過程中空氣的流換熱，局部溫度太高，氣囊與擋泥板和排氣管熱源之間沒有隔離。 允許熱空氣直接流到其表面，導(dǎo)致溫度迅速升高，從而影響其性能和使用壽命。 因此有必要對(duì)擋泥板與氣囊進(jìn)行熱保護(hù)處理。

2.4 隔熱優(yōu)化方案

針對(duì)CFD仿真中對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱害，且氣囊與排氣管位置相對(duì)固定，本研究提出安裝直徑為17 cm且高15 cm的鋁制隔熱罩(見圖5)，對(duì)氣囊進(jìn)行熱保護(hù)。隔熱板的表面具有高的熱反射率，不會(huì)增加或消除熱量，并且對(duì)熱輻射和熱流具有良好的屏障效果。

基于CFD結(jié)果中熱害向下輻射到擋泥板部分，考慮到成本與安裝方便的考慮，在排氣管增加隔熱套管的方式來減少熱輻射；隔熱材料是由玄武巖纖維，玻璃纖維無紡布和玻璃纖維硅布組成的三層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案

本研究采取實(shí)車場地試驗(yàn)對(duì)比了隔熱方案的效果。環(huán)境溫度為30 ，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大扭矩點(diǎn)(轉(zhuǎn)速1500 r/min)。 商用車以20 km/h的速度在跑道行駛40 min，氣囊與擋泥板布置測(cè)點(diǎn)取溫度最高值，具體測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖5 隔熱罩

圖6 隔熱套材料

圖7 測(cè)點(diǎn)位置分布

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

在安裝隔熱罩后安全氣囊溫度顯著降低。 從圖8中可見原車氣囊表面測(cè)試溫度為65.4 ℃和66.2 ℃，優(yōu)化后同一測(cè)點(diǎn)溫度為52.2 ℃和55.5 ℃，平均減低了11.95 ℃。 原車擋泥板表面測(cè)試溫度為58.5 ℃和59.2 ℃，優(yōu)化后同一測(cè)點(diǎn)溫度為49.2 ℃和50.1 ℃，平均減低了9.2 ℃。通過改進(jìn)之后隔熱裝置明顯阻擋了部分熱流，使得受保護(hù)的安全氣囊表面溫度低于極限值。

圖8 優(yōu)化前后溫度對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 本研究采用流場與熱場相結(jié)合的分析方法，對(duì)卡車熱害問題進(jìn)行分析。結(jié)果表明排氣管向周圍零部件輻射熱量，因?yàn)槿狈τ行У臒岜Ｗo(hù)，導(dǎo)致氣囊與擋泥板溫度較高。測(cè)試與仿真結(jié)果之間的誤差小于10%，表明CFD數(shù)值模擬分析方法具有可靠性，可以通過仿真進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高工作效率；

(2) 根據(jù)分析結(jié)果提出安裝隔熱罩與隔熱套的防護(hù)措施，優(yōu)化后氣囊表面溫度平均下降了11.95 ℃，優(yōu)化后擋泥板表面溫度平均下降了9.2 ℃。 證明了熱源表面的隔熱措施取得了良好的效果，該結(jié)果可應(yīng)用于同款商用車產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為今后實(shí)際熱害問題提供解決思路。