李現(xiàn)今 火進

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 102606）

主題詞：計算流體力學 電機 熱性能 優(yōu)化分析

1 前言

某款純電動汽車在熱平衡試驗中某些工況下，電機的最高溫度超過了限值，會對電機的性能和安全、壽命造成嚴重的影響。

本文采用STAR-CCM+軟件利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法進行定性分析，確定優(yōu)化措施，進而取得改進模型，然后將改進的模型樣件裝到實車上，通過熱平衡試驗確定是否滿足電機的散熱性能要求。

2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

由于前艙布置復雜，需要考慮電機周邊部件，包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、防火墻以及底盤部件對氣流的影響，因此有必要建立除乘員艙外的整車模型，如圖1所示。對于距離電機較遠，對氣流影響較小的車身尾部，可以將網(wǎng)格密度適當降低，以提高計算速度。整車面網(wǎng)格數(shù)量約為280萬個，采用三角形網(wǎng)格單元劃分，最小網(wǎng)格尺寸控制在3 mm。整個計算流場域的尺寸為10倍車身長、10倍車身寬、5倍車身高。體網(wǎng)格量約為2 000萬個，采用Trim網(wǎng)格，在計算敏感區(qū)域（前艙內(nèi)電機和冷凝器、風扇等區(qū)域）加密，實現(xiàn)局部網(wǎng)格細化以提高計算精度，如圖2所示。對冷凝器和風扇建立2個獨立的計算域，在車身表面使用Prism網(wǎng)格模擬汽車表面的附面層。

圖1 整車面網(wǎng)格

圖2 體網(wǎng)格截面圖

3 計算理論

3.1 基本控制方程

汽車前艙內(nèi)的空氣流動速度與聲速相比較小，空氣密度變化不大，可以近似看作常數(shù)，因此艙內(nèi)空氣可看作不可壓縮流體[1-2]。艙內(nèi)模型復雜，容易引起分離，應按湍流處理[3]。令i,j=1,2,3，各基本控制方程如下[4]：

平均連續(xù)方程為：

平均動量方程為：

瞬時變量分解成平均量和脈動量2個部分，對于速度，有：

湍流動能方程（k方程）為：

湍流耗散率方程（ε方程）為：

式中，ρ為流體的密度；t為時間；xi為空間自變量；ε為湍流耗散率；k為湍流動能；分別為平均速度和脈動速度；為流體的平均壓力；μi為流體粘性系數(shù)；μ0為流體動力粘性系數(shù)；為湍流總粘性系數(shù)；μt=ρCμ·k2/ε為渦粘性系數(shù)，主要取決于流場的湍流特性，是流場空間位置的函數(shù)，滿足為對動量方程被平均化以后得到的雷諾應力項；δij為狄拉克函數(shù)，當i=j時，δij=1，當i≠j時δij=0；Cμ、Cε1、Cε2、σk、σε為常數(shù)，對于標準k-ε湍流模型，Cμ=0.09，Cε1=1.45，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

3.2 邊界條件和參數(shù)設置

計算入口的邊界設定為速度入口，設定工況為車輛以某速度向前勻速運動，本文為了統(tǒng)一與方便，設置車速為100 km/h。出口設定為壓力出口，參考壓力為0。冷凝器區(qū)域設為多孔介質(zhì)區(qū)域，在STAR-CCM+中，對于多孔介質(zhì)，需要獲得慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)來確定多孔介質(zhì)的屬性，更為真實地模擬出流體經(jīng)過多孔介質(zhì)后的流動狀態(tài)。利用臺架試驗測得的壓降-速度曲線擬合出一條二次曲線，從而得到冷凝器的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。對于風扇區(qū)域，只需要給出風扇的轉(zhuǎn)速，并將此區(qū)域設置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域即可[1,3,5-6]。

4 計算結(jié)果及試驗驗證

首先計算原狀態(tài)下的前艙流場。前艙流線和電機表面速度分布云圖如圖3所示，部分流線從格柵孔流出后未吹向電機，電機表面的平均風速較小，這是導致電機溫度過高的原因之一。因此需要增加導流措施[6]，使此部分冷風吹向電機以降低電機的溫度。

圖3 原狀態(tài)下前艙流場、流線圖

為了解流場效果，初步增加一簡易平板作為導流板（記為方案1）。原狀態(tài)和方案1狀態(tài)下的數(shù)模如圖4所示，相應的電機表面速度云圖如圖5所示。由圖4、圖5可知：原狀態(tài)下速度較小，且基本集中在電機正迎風面的中上部和中下部，端蓋處風速較?。辉黾訉Я靼搴?，電機表面的平均速度增大較多，且端蓋處的風速得到較大改善。

對方案1進行熱平衡試驗，通過內(nèi)置傳感器測得的最高溫度為143 ℃，原狀態(tài)下測得的最高溫度為153 ℃，超過了最高許用溫度150℃，方案1滿足電機熱平衡的要求。

圖4 原狀態(tài)和方案1數(shù)模

圖5 原狀態(tài)和方案1電機表面速度云圖

方案1是為了考察增加導流結(jié)構(gòu)的效果而增加的未考慮空間布置的無厚度平板，故還必須從前艙的空間布置、導流板的強度以及便于安裝等方面的要求考慮，對方案1進一步優(yōu)化。在方案1的基礎上進行優(yōu)化，得到方案2～方案4：方案2是為了安裝方便，沿著來流方向設計成帶加強筋的平板，并且內(nèi)側(cè)帶有120°圓角的傾斜面，同時為避讓其他部件，設計了1個圓形孔；方案3是在方案2的基礎上縮短內(nèi)側(cè)傾斜面，但將傾斜圓角變?yōu)?35°；方案4是在方案3的基礎上，在沿來流方向帶加強筋平板的前方，即靠近前進氣格柵的一側(cè)，增加了導流翻邊，既能夠增強整個導流板的強度，又能夠有效增大沿著導流板吹向電機的冷風流量。各方案電機正迎風面和背風面速度云圖如圖6所示，電機表面平均風速如表1所示。綜合電機正迎風面和背風面的速度分布，與方案1的電機表面云圖比較，并考慮電機表面平均風速，可以看出方案4的效果最好。

流經(jīng)電機底部的氣流由于受到下護板的阻滯，不能順暢流出由，如圖7a所示。從下護板結(jié)構(gòu)看，在電機的后側(cè)有一斜面，是為避讓傳動系統(tǒng)部件凸起設置的，這是電機底部氣流受到阻礙的原因。為使經(jīng)過電機的氣流能夠順暢流出前艙，需要在該斜面上開孔，如圖7b所示。由圖7b可知，流經(jīng)電機底部的氣流能夠較順暢地通過開孔流出，并且電機上部的一部分氣流也能經(jīng)開孔流出，對電機的散熱有利，這時電機表面的平均風速達到了13.6 m/s。

圖6 導流板改進方案電機正迎風面和背風面速度云圖

表1 各方案下的電機表面平均風速 m/s

圖7 下護板未開孔與開孔時電機底部流線

采用導流板的優(yōu)化方案4以及下護板開孔方案使得前艙的空氣流動得到了優(yōu)化，最終狀態(tài)流線如圖8所示。由圖8可知，從格柵孔右側(cè)流進的冷空氣受導流板的引導流向了電機，使得電機正迎風面和端蓋處的風速較原狀態(tài)明顯改善，且由于下護板斜面上的開孔措施，進一步降低了電機的溫度。

采取導流板優(yōu)化方案4同時增加下護板開孔方案的措施，在試驗室進行同一工況的熱平衡試驗。通過電機內(nèi)部自帶的溫度傳感器測得的最高溫度情況如圖9所示。

圖8 最終狀態(tài)流線

圖9 熱平衡試驗最高溫度對比

由圖9可知，最終優(yōu)化方案滿足電機的熱平衡要求，電機的熱性能得到了優(yōu)化。

5 結(jié)論

a.在格柵后的冷凝器右側(cè)采用導流板措施，優(yōu)化了通過格柵孔后的冷風流向，增大了電機表面的風速和風量，降低了電機的溫度；

b.通過在下護板斜面上開孔，使得流經(jīng)電機底部及上部的氣流更加順暢地流出前艙，進一步降低了電機的溫度；

c.在無法獲取內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)及相應輸入?yún)?shù)的情況下，利用冷流場三維計算并結(jié)合少量的試驗可提高熱性能的開發(fā)效率。