譚禮斌，袁越錦，王靜

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.中國石化銷售股份有限公司貴州畢節(jié)石油分公司，貴州畢節(jié) 551700）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)汽車舒適性的關(guān)注度越來越高［1-2］。整車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)散熱的好壞嚴(yán)重影響著整車運(yùn)行時(shí)的熱負(fù)荷表現(xiàn)及可靠性［3］。目前分析整車散熱的方法主要有環(huán)境艙熱平衡試驗(yàn)和CFD 仿真，其中環(huán)境艙熱平衡試驗(yàn)測(cè)試可獲取準(zhǔn)確測(cè)試數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品研發(fā)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)，缺點(diǎn)是周期長且成本高。CFD仿真可以獲得較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，周期短，成本低，是目前用于解決整車流場(chǎng)性能評(píng)估及散熱性能提升問題的重要研究手段［4-6］。周藝南等［7］采用CFD 數(shù)值仿真方法研究了養(yǎng)蜂車外流場(chǎng)特性，分析了有/無后擋板對(duì)速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布的影響。黃森仁等［8］采用CFD 對(duì)SUV 車型中后期造型階段的CAS 模型進(jìn)行流場(chǎng)分析并對(duì)影響阻力系數(shù)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了解析。陳明亮等［9］基于STAR-CCM+軟件搭建了商用車整車外流場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)比分析了商用車基礎(chǔ)方案和優(yōu)化方案的流場(chǎng)差異。由此可見，CFD仿真方法在整車外流場(chǎng)計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用，已從理論研究階段進(jìn)入工程實(shí)用化階段［10-12］。目前，針對(duì)客三輪整車流場(chǎng)分析的研究相對(duì)較少。因此，基于CFD 方法擬搭建客三輪整車流場(chǎng)及冷卻性能評(píng)估分析模型，通過數(shù)值模擬分析方法獲取其發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙速度分布，評(píng)估其機(jī)艙散熱情況，并針對(duì)性地提出流場(chǎng)優(yōu)化建議，提升該客三輪整車散熱性能。

1 客三輪整車模型建立

1.1 物理模型

為模擬某客三輪周圍流場(chǎng)情況，在車輛周圍建立了1 個(gè)流體計(jì)算域［13-14］，用于包圍車身、模擬風(fēng)洞監(jiān)測(cè)流場(chǎng)狀態(tài)。流體計(jì)算域的長度為12倍車身長度，寬度為7倍車身寬度，高度為5倍車身高度。車身頭部距離計(jì)算域入口3倍車身長度，車身尾部距離計(jì)算域出口8 倍車身長度。網(wǎng)格模型采用CFD 分析軟件STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格數(shù)量約為1.6×107。劃分完成后的中間截面網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 整車中間截面網(wǎng)格示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用STAR-CCM+中的k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行客三輪整車外流場(chǎng)計(jì)算及散熱性能優(yōu)化研究。整車外流計(jì)算中空氣介質(zhì)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，過程中不考慮溫度，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［15］的連續(xù)性方程為

動(dòng)量微分方程方程為

k-ε湍流模型方程為

式中：u、v、w為速度分量；ρ為流體密度；Fx、Fy、Fz為體積力；μ為流體黏度系數(shù)；p為流體微元體上的壓力；?為拉普拉斯算子；t為時(shí)間；xi和xj為2 個(gè)方向坐標(biāo)分量；ui為i方向速度分量；μt為渦流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；C1ε、C2ε、Cu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1.44、1.92 和0.9；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.0和1.3。

整車計(jì)算域入口為30 km·h-1的速度邊界，出口為0 Pa 的壓力邊界。散熱器簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)區(qū)域，多孔介質(zhì)的阻力參數(shù)通過散熱器風(fēng)洞單品風(fēng)阻性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合獲得。散熱器多孔介質(zhì)芯體的慣性阻力在X、Y、Z方向上分別設(shè)為87 000 kg?m-4、87 000 kg?m-4、87 kg?m-4，黏性阻力在X、Y、Z方向上分別設(shè)為386 000 kg?m-3?s-1、386 000 kg?m-3?s-1、386 kg?m-3?s-1。散熱器風(fēng)扇為吹風(fēng)狀態(tài)，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中熱空氣從右出風(fēng)口排出，提升舒適性。散熱器風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參考系法實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速3000 r?min-1。

2 結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分析與優(yōu)化

2.1 整車初始結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分析

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)截面速度分布云圖，圈出區(qū)域?yàn)樯崞鞲浇鼌^(qū)域，熱風(fēng)回流較嚴(yán)重。通過計(jì)算多孔介質(zhì)截面和右出口的流量差異，得出進(jìn)入該區(qū)域循環(huán)風(fēng)占多孔介質(zhì)總風(fēng)量的67.5%，從進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的風(fēng)量為119.69 g?s-1，多孔介質(zhì)芯體風(fēng)量為162.4 g?s-1，風(fēng)量較大，但多數(shù)風(fēng)量是來自熱風(fēng)循環(huán)，不利于散熱。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)截面速度場(chǎng)分布

2.2 整車散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了改善整車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙流場(chǎng)分布，提高整車散熱，提出了以下改進(jìn)方案：1）在散熱器和風(fēng)口之間增加導(dǎo)流罩隔絕熱風(fēng)回流；2）在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙左出風(fēng)口處增加小風(fēng)扇，改善發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙出風(fēng)；3）為平衡系統(tǒng)阻力，保證進(jìn)風(fēng)量，擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)通道20 mm。整車散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如圖3所示。改進(jìn)后，進(jìn)風(fēng)通道風(fēng)量為170.6 g?s-1，相比原結(jié)構(gòu)方案下的119.69 g?s-1提升了50.91 g?s-1，總進(jìn)風(fēng)量提升約42.5%，總進(jìn)風(fēng)量改善較明顯。車身左出風(fēng)口風(fēng)量和右出風(fēng)口風(fēng)量分別為91.4 g?s-1和121.2 g?s-1，相比原結(jié)構(gòu)方案，總出風(fēng)量提升了97%，出風(fēng)順暢。增加小風(fēng)扇出風(fēng)，左側(cè)出風(fēng)口出風(fēng)量從原來的55.46 g?s-1提升至91.4 g?s-1，提升幅度約為64.8%。圖4 為散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后關(guān)鍵區(qū)域速度分布。圖4a為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙截面速度分布，可以看出，散熱器附近的熱風(fēng)回流得到明顯改善。新增小風(fēng)扇吹風(fēng)，機(jī)艙內(nèi)更多的熱風(fēng)從車身左出口流出，排風(fēng)更加順暢。圖4b 為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙側(cè)面右出風(fēng)口風(fēng)速分布，可以看出，出風(fēng)速度大都為6 m?s-1左右，出風(fēng)速度分布比較均勻，出風(fēng)順暢，不存在回流現(xiàn)象。圖4c為散熱器芯體表面速度分布，可以看出，散熱器芯體風(fēng)速分布較均勻，不存在明顯的流動(dòng)死區(qū)。

圖3 整車散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

圖4 改進(jìn)后關(guān)鍵區(qū)域速度分布

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后的整車進(jìn)行臺(tái)架熱平衡實(shí)驗(yàn)，分析發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)需要的測(cè)試傳感器及相關(guān)設(shè)備包括溫度及壓力傳感器、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、實(shí)驗(yàn)記錄筆記本電腦、K 型熱電偶、熱電偶適配器等。測(cè)試時(shí)確認(rèn)整車裝配狀態(tài)及負(fù)重狀態(tài)，測(cè)試時(shí)滿載負(fù)重320 kg，車身前端各部件連接布置須符合整車實(shí)際使用情況，車輛能正常啟動(dòng)或熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)無異常。測(cè)試步驟如下：1）在發(fā)動(dòng)機(jī)出水口布置溫度傳感器，并連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器；2）按照測(cè)試工況給定發(fā)動(dòng)機(jī)油門100%，由臺(tái)架轉(zhuǎn)轂調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，維持目標(biāo)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)油門、轉(zhuǎn)速情況；3）實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度，若發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡（5 min 內(nèi)水溫變化小于0.5℃），則記錄數(shù)據(jù)。

圖5 為樣車負(fù)重320 kg 的熱負(fù)荷測(cè)試圖。測(cè)試工況為4 擋，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000 r·min-1，行駛速度為30 km·h-1。測(cè)試中，運(yùn)行30 min 左右發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)出水的水溫?cái)?shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度約為99℃，優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度約為88℃，水溫降低約11℃，外部散熱改善明顯，表明整車散熱改進(jìn)方案是有效的。

圖5 樣車負(fù)重320 kg的熱負(fù)荷測(cè)試

3 結(jié)論

基于CFD 方法，采用STAR-CCM+對(duì)某客三輪整車流場(chǎng)進(jìn)行了分析，基于分析結(jié)果改進(jìn)整車結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后，散熱器熱風(fēng)循環(huán)得到明顯改善、風(fēng)速分布更均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)整體分布較為合理，無較為嚴(yán)重的流動(dòng)死區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度降低。