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客车机舱热管理及结构改进 摘要 随着汽车工业的发展，人们对汽车动力性、经济性和舒适性要求的不断提高 导致发动机功率不断增大；发动机舱内零部件数量不断增加导致机舱内空间越来 越拥挤；这些都给发动机舱散热带来了严峻的挑战。本文针对某客车在高温天气， 低速大负荷运行时出现水箱开锅及机舱过热现象，运用计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 方法对发动机舱进行温度场和流场分析，找出了发 动机舱内的过热区域和造成机舱过热的原因，并提出了相关改进意见，成功解决 了机舱过热问题。本文的主要研究内容包括以下： 使用三维建模软件建立发动机舱和整车c a d 模型。用商用c f d 软件对c a d 模型进行网格划分和仿真计算。首先，选定一个工况对该客车进行实车试验，测 量实车在行驶过程中发动机舱内各重要零部件的温度，运用这组测得的试验数据 对本文所采用的计算模型进行标定，以确保所采用模型的可靠性。然后，针对该 客车最恶劣行驶工况进行温度场和流场的仿真计算，就机舱内温度场和速度场分 布情况找出影响发动机舱内空气流动和散热能力的结构原因，并提出了三项改进 措施：a 、在机舱内台阶处加上导流装置；b 、增大后盖顶部开口面积并把开口位 置移到机舱的顶部处；c 、封闭风扇侧后盖上的格栅。 针对提出的a 、b 、c 三项改进措施分别进行了a 、b 、c 、a b 、a c 、b c 和 a b c 七种不同的组合，并对原车模型进行修改。然后分别对修改后的模型进行仿 真计算。通过对改进后模型进行温度场分析，并运用机舱散热评价方法对各改进 方案进行评价，综合考虑改进成本得到了最佳改进方案。 本文的研究工作对于客车的机舱热管理研究、客车机舱结构设计、缩短后续 开发周期等提供一定的参考建议。 关键词：客车；发动机舱；热管理；结构改进；发动机舱内流；外流场 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so f t h ea u t o m o t i v ep o w e r ，e c o n o m ya n dc o m f o r tm a d et h ee n g i n ep o w e ri n c r e a s e d t h e e n g i n ec o m p o n e n t sn u m b e ri n c r e a s i n gm a d et h ec a b i ns p a c ei sm o r ec r o w d e dw h i c h g i v et h ee n g i n ec o m p a r t m e n tc o o l i n gas e r i o u sc h a l l e n g e i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt oa p a s s e n g e rc a rc o o l i n gw a t e rb o i la n dc a b i no v e r h e a t i n gw i t hl o w - s p e e da n dh e a v y l o a di nh o tw e a t h e r ，w eh a v eas t u d yi n t e m p e r a t u r ea n df l o w f i e l df o re n g i n e c o m p a r t m e n tu s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm e t h o d ，t h e nf o u n do u tt h e o v e r h e a t i n gz o n e sa n dt h er e a s o n sc a u s i n gt h ec a b i no v e r h e a t e d t h e np r o p o s e ds o m e i m p r o v e m e n t sa n ds o l v ec a b i no v e r h e a t i n gp r o b l e ms u c c e s s f u l l y t h em a i nw o r ki n t h i sp a p e ri n c l u d e s ： f i r s t l y ，w ec r e a t e de n g i n ec o m p a r t m e n t sa n dp a s s e n g e rc a rc a dm o d e lu s in g t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e t h e nu s et h ec o m m e r c i a ls o f t w a r em e s h i n ga n d c a l c u l a t i o n s b e f o r et h ec a l c u l a t i o n ，w es h o u l dc a l i b r a t i o nt h ec f dm o d e lw i t h e x p e r i m e n t a ld a t at o e n s u r e r e l i a b i l i t yo ft h ec f dm o d e l t h e nf o rt h ew o r s t c o n d i t i o n so ft h ep a s s e n g e rc a rw eh a v eas i m u l a t i o no ft h ec a b i nt e m p e r a t u r ef i e l d a n df l o wf i e l d a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l di nt h ec a b i n ，w ef i n d o u tt h er e a s o n sc a u s i n gt h ec a b i no v e r h e a t e da n dp r o p o s et h r e ei m p r o v e m e n t s ：a ) a d d ag u i d i n gd e v i c ei nt h ec a b i ns t a i r s ；b ) i n c r e a s et h eo p e na r e ao nt h et o po f b a c kc o v e r ； c ) r e m o v et h eg r i l lo nt h eb a c kc o v e r s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h et h r e ei m p r o v e m e n t sw eh a v em a d es e v e nd i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s t h e ya r ea ，b ，c ，a b ，a c ，b ca n da b c a f t e rt h a tw em o d i f i e dt h e c a dm o d e l sa n dd i das i m u l a t i o nf o re a c h c o m b i n a t i o n b yc o m p a r i n gt h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h ei m p r o v e dm o d e la n de v a l u a t et h ei m p r o v e m e n tp r o g r a m s e f f e c tu s i n ge v a l u a t i o nm e t h o d s f i n a lw eg e tt h eb e s ti m p r o v e m e n tp r o g r a m i naw o r d ，t h er e s e a r c hw o r ko ft h ep a s s e n g e rc a b i nt h e r m a lm a n a g e m e n tc a n p r o v i d es o m er e f e r e n c es u g g e s t i o n sf o rt h ep a s s e n g e rc a rd e s i g n k e yw o r d s ：p a s s e n g e rc a r ；t h e r m a lm a n a g e m e n t ；s t r u c t u r a li m p r o v e m e n t s ； c a b i n ；c a b i ni n t e r n a lf l o w ；o u t f l o wf i e l d l l i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 流程图7 图2 1 “三维”流体力学示意图一9 图2 2c f d 计算流程l o 图2 3 湍流数值模拟方法及相应的湍流模型1 6 图3 1 整车几何模型2 1 图3 2 发动机舱内零部件的简化几何模型2 2 图3 3 计算域示意图2 2 图3 4 网格生成流程2 3 图3 5 机舱内表面网格2 4 图3 6 对称面体网格2 4 图3 7 冷却损失与发动机转速的关系。2 7 图3 8 车身表面y + 值分布图2 9 图3 9 副水箱截面温度分布图一2 9 图3 1 0 混合器截面温度分布图3 0 图3 1 l 进气歧管截面温度分布图3 0 图3 1 2 空滤器截面温度分布图3 0 图3 1 3 缸盖纵截面( 謦= o m ) 3 3 图3 1 4x = 0 m 截面温度和速度分布图3 3 图3 15 缸盖水平截面( y - 0 4 5 m ) 3 4 图3 16y = 0 4 5 m 截面温度和速度分布图3 4 图3 1 7 进排气歧管水平截面( 卜o 3 m ) 3 4 图3 18y = o 3 m 截面温度和速度分布图。3 4 图3 1 9 排气歧管纵截面( 弘0 1 m ) 3 5 图3 2 0 肛0 1 m 截面温度和速度分布图3 5 图3 2 1 进气歧管纵截面( 胙o 1 5 m ) 3 6 图3 2 2x = 0 1 5 m 截面温度和速度分布图3 6 图3 2 3 缸体横截面( z 兰o 15 m ) 一3 6 图3 2 4z = 0 1 5 m 截面温度和速度分布图3 7 图3 2 5 油底壳水平截面( y _ 0 5 m ) 3 7 图3 2 6y _ 0 5 m 截面温度和速度分布图3 7 图3 2 7 消声器纵截面( 器0 7 5 m ) 3 8 图3 2 8 胙0 7 5 m 截面温度和速度分布图3 8 v u 客车机舱热管理及结构改进 图3 2 9 换热器水平截面( y - 0 1 m ) 3 9 图3 3 0 净0 1 m 截面温度和速度分布图3 9 图3 3l 换热器纵截面( 弘0 7 5 m ) 3 9 图3 3 2x = o 7 5 m 截面温度和速度分布图3 9 图4 1 改进方案示意图4 2 图4 2 机舱内部台阶改进示意图4 3 图4 3 机舱纵对称面温度分布图4 3 图4 4 消声器炸0 7 5 m 截面温度对比图4 3 图4 5 排气歧管胙0 2 m 截面温度对比图4 4 图4 6 缸体y = o 1 5 m 截面温度分布图4 4 图4 7 顶部开口改进示意图4 5 图4 8 进排气歧管z = o 3 m 水平截面温度分布图4 5 图4 9 油底壳z _ 0 3 m 水平截面温度分布图4 5 图4 1 0 缸体卜0 15 m 截面温度分布图4 6 图4 1 l 后盖格栅改进示意图4 6 图4 1 2 机舱纵对称面温度分布图4 7 图4 1 3 风扇y = o 6 m 横截面温度分布图4 7 图4 1 4 进排气歧管z = o 3 m 截面温度分布图4 7 图4 1 5 机舱纵对称面温度分布图4 8 图4 1 6 排气歧管释0 2 m 截面温度分布图4 8 图4 17 进气歧管x = o 2 m 截面温度分布云图4 9 图4 1 8 进排气歧管z = o 3 m 截面温度分布图4 9 图4 1 9 进气歧管x = o 2 m 截面温度分布图5 0 图4 2 0 排气歧管释0 2 m 截面温度分布图5 0 图4 2 l 缸体y = o 3 m 横截面温度分布图5 0 图4 2 2 进排气歧管z = o 3 m 水平截面温度分布图5 l 图4 2 3 换热器x = o 6 m 截面温度分布图5 l 图4 2 4 消声器释0 7 5 m 截面温度分布图5 2 图4 2 5 缸体y 0 3 m 横截面温度分布图5 2 图4 2 6 迸气歧管x = o 2 m 截面温度分布图5 3 图4 2 7 进气歧管胙0 2 m 截面温度分布图5 3 图4 2 8 缸体卜0 3 m 横截面温度分布图5 3 图4 2 9 消声器肛0 7 5 m 截面温度分布图5 4 v 1 1 1 硕士学位论文 附表索引 表2 1 通用控制方程中各符号的具体含义1 3 表3 1 模型标定计算边界条件2 5 表3 23 0 8 k 空气的物性参数2 6 表3 3 散热器中冷器风阻性能结果2 6 表3 4 散热器和中冷器性能参数。2 6 表3 5 发动机参数2 7 表3 6 模型标定计算换热器参数设置2 7 表3 7 模型标定时发动机发热部件壁面温度2 8 表3 8 试验值和计算值对比表3 l 表3 93 2 3 k 空气物性参数3 1 表3 1 0 恶劣工况计算边界条件3 2 表3 1 l 恶劣工况计算换热器参数3 2 表4 1 改进方案组合4 2 表4 2 各模型发动机舱散热评价指标值对比5 6 i x 硕士学位论文 第1 章绪论 随着经济的发展，高等级公路的建设和排放法规的日益严格，对汽车的操纵 稳定性、驾驶舒适性和燃油经济性提出了越来越来高的要求。由汽车空气动力 学理论可知汽车外部绕流特性决定了汽车的空气动力特性：发动机舱内部气流流 动特性决定了机舱内流阻力和发动机冷却系统性能；驾驶室和车厢内部通风及空 调特性决定乘员舱环境的舒适性。从上面三个方面看汽车空气动力学性能在整车 综合性能中的地位越发凸显出来，它己成为评价整车性能的重要指标之一。 在汽车产品设计开发过程中对发动机舱进行机舱热管理研究是十分重要的， 因为发动机舱散热性能的好坏会直接影响到汽车的动力性、经济性和可靠性。在 机舱散热严重不足的情况下甚至会影响到整车的使用寿命n 3 1 。随着人们对汽车 性能和舒适性要求的越来越高，导致发动机功率和转速不断提高，发动机舱内部 的零部件也越来越多，越来越来模块化，这也就使机舱内空间变得越来越来紧凑， 对冷却系统的要求也随之提高，同时对发动机舱的散热能力也是一个严峻的挑战。 近年来随着对发动机舱散热研究与发动机冷却系统研究的不断深入，已取得了一 定的成绩。目前发动机冷却系统的主要研究内容包括冷却系统整体优化、机构优 化和冷却系统主要部件性能研究。近些年来随着计算机的快速发展和设计理论更 新，用于汽车冷却系统和发动机舱散热的研究手段也由单一的试验发展到了试验、 理论分析和c f d 模拟三者相结合的阶段。就目前汽车发展现状，在保证冷却系和 机舱具有足够散热能力和强度的前提下，高效率，低能耗将成为发动机舱热管理 未来发展的主要方向。 1 1 论文研究的背景与意义 1 1 1 研究背景 汽车工业的生产力是一个国家国民经济发展的象征，随着中国经济的高速发 展，在未来几十年内，中国汽车产业将迎来一个飞跃性的发展。但我国面临这样 一个现状：目前，我国是汽车大国，但并非汽车强国。主要是因为我国汽车产品 的质量和技术水平与国际水平相比还存在着很大差距。导致这种差距的主要原因 是我国汽车工业技术相对落后，开发设计能力不强，对很多关键技术和重要领域 缺乏自主研发能力，严重阻碍了我国由汽车大国向汽车强国的转变进程。 客车是汽车产业的重要组成部分。近年来，随着国内汽车产业市场占有率的 整体上升，作为汽车产业重要组成部分的客车，也取得了巨大发展。在“十一五” 期间，全国高等级公路网络逐渐建成并不断完善，广大农村公路也得到了不同程 客车机舱热管理及结构改进 度的扩建和完善。我国公路基础设施的完善进一步推动了国内公路客运市场的长 足发展，成为拉动国内客车市场发展的重要因素，为我国客车工业的发展提供了 动力和良好机遇h 1 。据统计，2 0 1 1 年1 1 0 月，我国公路客运量为2 7 2 亿人次， 与2 0 1 0 年l l o 月相比增长8 2 ；公路旅客周转量为1 3 8 8 2 1 亿人，同比增长 1 1 1 嫡1 。此外，2 l 世纪是世界城市化世纪，也是中国城市化进程持续快速发展 阶段。据相关权威机构报告，5 0 年来我国城市人口比例已由1 0 提高到4 1 8 ， 全国城市化年增长率保持在l 以上，到2 0 2 0 年城市人口比例将达到6 0 以上“】。 上述统计数字意味着每年将有超过千万的农村人口转移到城市，城市人口的急剧 增加，必然要求城市公共交通实现同步发展，这也将给客车产业带来广阔的市场。 据相关部门统计，我国城市公交行业每年至少按年保有量5 增加( 如不含更新， 按年保有量1 0 计算) ，城市人口和城市流动人口每万人拥有公交车辆率将达1 4 标准台，城市公交客车需求量将达5 0 万辆，市场每年需求量( 新增加和更新的公 交车) 按4 5 万辆计算，到2 0 2 0 年市场总需求量将达到4 l 万多辆拍】。除此之外， 随着旅游产业的持续快速发展也增加了对大中型中高档客车的需求量。还有就是 随着城市交通越来越拥堵，全球环保意识的提高，公共交通将越来越受到重视。 因此，客车产业将会越来越受到人们的关注，对客车的需求量也将越来越大。 目前，我国大中型客车同国外同类产品相比还存在一定差距。这些差距主要 体现在底盘和产品研发上。可靠性差是我国客车的致命弱点，是与国外客车差距 的集中体现。这里除了总成、零部件本身的设计、加工、材质的差距外，我们缺 乏必要的试验手段和质量性能考核调试程序，使可靠性差的配套件在产品的使用 中才暴露出来吲。研发上，我国客车研发程序简单，周期短，投入不足，这就造 成设计出来的客车风阻系数大，油耗较国外高，发动机寿命缩短等问题。例如， 在夏天持续高温天气下，我们可以看到各大城市中有很多公交车都敞开后引擎盖 散热。公交车在行驶过程中不关闭后引擎盖会带来以下几大危害：排出的热气、 烟雾和噪声污染环境，影响城市形象；一旦跟车距离太近，容易引发追尾事故； 机器高速运转，一旦零件飞出，容易伤人带来安全隐患。还有很多因为机舱散热 不佳而引起整车自燃的情况发生。以上这些问题在国外是很少会发生的。 在传统的汽车设计过程中，发动机舱的散热性能往往采用经验或者工程评估 的方法进行估算，等产品基本定型后再进行风洞试验验证。由于发动机舱内部结 构复杂造成加工比较困难，并且以现有的试验手段很难清楚地捕捉到发动机舱内 部的流动特性哺1 。因此，运用该方法进行估算就造成了数据不能及时更新、设计 周期延长、成本增加。随着数值分析和计算机技术的发展，复杂的偏微分方程组 求解变成可能，使得计算流体动力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 发展迅 速，c f d 技术在汽车空气动力学研究方面的地位不断提高并成为可以与实验研究 和理论分析并驾齐驱的研究方法阳1 。作为空气动力学研究的重要手段，数值计算 2 硕士学位论文 不仅不受风洞实验中边界条件、风向、堵塞效应、雷诺数效应等的影响和限制， 而且还避免了风洞实验的许多瓶颈，可以得到比风洞试验更加丰富的信息( 如细微 的湍流结构) ，对风洞试验的结论进行补充校正引。因此运用c f d 进行模拟研究 已经成为汽车设计中不可缺少的环节了。 本文正是在上述背景下，通过对后置发动机客车进行发动机舱热管理仿真计 算，寻找后置发动机客车发动机舱结构对机舱散热的影响因素。在前面分析的基 础上对机舱结构进行相关的优化改进，改善我国后置发动机客车机舱散热不足的 现状。 1 1 2 研究意义 上面叙述的在夏天持续高温天气下，很多城市中公交车都敞开后引擎盖散 热，甚至有的因为发动机机舱温度过高而引起自燃情况都是因为发动机舱散热效 果不佳而引起的。造成发动机舱散热不好的原因主要是在设计初期没有充分考虑 到发动机舱的散热问题，造成先天的缺陷，而在出现过热后采用敞开后引擎盖来 加强机舱的散热不但影响城市的美观而且还容易造成安全事故。要解决这个问题 必须从设计上着手，在客车设计阶段就充分考虑最恶劣工况下机舱的散热情况， 对发动机舱进行热管理计算，只有这样才能从根本解决敞开后引擎盖散热现象。 此外，发动机对工作温度有一定的范围要求，一般要保证发动机冷却液的温 度在8 0 9 0 度以确保发动机能在最佳状态运行。当发动机工作温度低于这个范围 即发动机过冷时，会产生一些不良后果f 1 2 ，3 3 | ：l 、不利于可燃混合气的形成， 使燃烧条件恶化，造成功率下降、油耗增高；2 、机油粘度过大，机件运动阻力增 加；3 、燃烧生成的水蒸气凝固在缸壁上，与燃烧生成物质合成强烈的腐蚀剂，对 活塞、缸套起腐蚀作用。当发动机温度过热时也同样会造成很多不良后果挖 3 3 1 ： l 、在高温情况下发动机零部件的刚度和强度会下降，在受力的状况下很容易发生 破坏；2 、受热后由于材料的膨胀率不同会导致正常的配合间隙发生变化，特别是 在高温情况下这种错位情况会更严重。如果这种间隙改变发生在气缸内则很容易 发生拉缸或活塞卡死现象；3 、发动机温度过高同样会影响发动机的润滑过程，因 为温度升高后润滑油会变稀，严重的甚至变质，这些都不利于油膜的正常形成。 发动机润滑不好产生的直接影响是发动机磨损加剧，噪声震动加重，严重的会影 响发动机的正常工作；4 、发动机过热对进气同样会很大的影响，进气温度升高后 空气的密度会减小，这就会导致发动机进气不足，功率下降。基于此，确保发动 机能在最佳的温度范围内工作是至关重要的。发动机舱作为发动机工作的环境空 间必须具有足够的散热能力以确保发动机能够正常向机舱内散热。 因此，不论是从整车的行驶安全还是从提高发动机的工作效率出发，对汽车 进行机舱热管理研究都是十分有必要。 3 客车机舱热管理及结构改进 1 2 机舱热管理研究现状 汽车发动机舱类似一个半封闭的空间，发动机舱内包含发动机、冷却系统、 进气排气系统、传动装置和液压设备等部件，结构布置非常紧凑。随着人们对汽 车动力性、经济性、排放性能、舒适性及可靠性等要求的日益提高，使得发动机 舱内部件变得越来越多，越来越模块化，布置也越来越紧凑，尤其是发动机功率 的不断增大，这给发动机舱散热带来了更大的挑战。各方面因素的影响使得汽车 散热问题已成为国内外各研究者关注的焦点之一n 引。 发动机舱热管理是一个研究面非常广的方向，因为发动机舱内结构复杂，存 在很多形状大小不一的部件，涉及到很多学科。因此，要系统全面地研究它的散 热性能和机舱内流场非常困难。由于受限于硬件设备，对发动机舱热管理研究最 初都只是对发动机舱内的一些部件做单独的台架试验或仿真分析。例如o l s o n 和 w i l l i a m s 通过试验研究最先提出要想散热器的散热效果达到最佳，必须使通过散 热器表面的冷却空气尽可能均匀分布。直到9 0 年代末，才有较为完整的整车发动 机舱热管理仿真分析和整车风洞试验。 1 2 1 乘用车热管理研究现状 随着c f d 技术的发展和计算优点，使得c f d 分析成为机舱热管理研究中应 用最广泛的方法。例如，v d a m o d a r a n 和s k a u s h i k 利用商用软件f l u e n t 对一 部全尺寸汽车进行了发动机舱流场和温度场分析，通过对计算结果和实验数据进 行对比研究发现，机舱内流场和试验数据误差在5 以内，温度场和试验数据误 差大约在1 0 1 5 n 引；a s k e a 用来自于试验数据的边界条件对机舱进行了热管理 研究，但是由于其在进行c f d 分析时边界条件考虑过于仔细因此耗费了大量计算 时间，从工程应用的角度出发这是不太现实的n 引。 除了用c f d 模拟发动机舱内流场和温度场外，许多研究学者还对发动机舱热 管理做了很多其他方面的研究。例如搭建发动机舱快速建模试验台架系统，对机 舱结构进行改进研究，分析机舱机构对散热的影响及对机舱内重点换热元件的性 能研究等。例如，k s r i n i v a s a n 提出了一种高效快速的发动机舱热管理建模方法引； a l a j b e g o v i c 运用l a t t i c eb o l t z m a n nm e t h o d ( l b m ) 算法对汽车前端格栅设计对机 舱散热影响进行了详细研究；p d u b e 通过对汽车内流阻力系数和风扇性能参数的 预测，对汽车的冷却系统进行了改进引。还有一些学者用一维和三维进行耦合方 法对机舱内流动和温度场进行分析。例如，o r i h i k ow a t a n a b e 等运用一维和三维 耦合的方法对发动机舱内的流动和热传递过程进行了分析8 1 ；v i v e kk u m a r 通过 用c f d 结合f l o wn e t w o r km o d e l i n g 的方法，对发动机舱散热和内部流动进行了 详细研究，其计算结果和试验数据非常吻合，运用这种方法可以大大的缩短机舱 散热分析时间和设计周期n9 1 ；韩国汉阳大学机械工程系的k b k i m ，k w c h o i ， 4 硕士学位论文 k s l e e 等利用f l o w m a s t e r 软件对汽车发动机冷却系统在不同控制策略的作用 下的性能进行了研究拉引。 上面叙述的都是国外的学者对机舱热管理所做的研究，由于我国汽车工业起 步较晚，国内对机舱热管理的研究也是在近期几年才开始的，而且主要都是各大 学的学者在进行研究。像同济大学的齐斌、倪计民、顾宁等搭建了一个发动机舱 热管理试验台架，运用该台架可以对发动机舱内各部件的布置方式、水箱、风扇 以及各管道的连接方式进行模拟，以研究发动机冷却系统的工作状况。此外该试 验台架还可以用来验证一维发动机舱热管理软件k u l i 计算结果的可靠性，然后 对n e d c 驾驶循环下整车冷却系统性能进行模拟，得出相关性能参数以供冷却系 统零部件选型及匹配提供指导心；同济大学的杨志刚教授对d e l p h i 公司提出的 c f r m 冷却系统组合和传统的c r f m 组合进行了对比研究，得出了这两者组合形 式各自的优缺点。接着又对c f r f 冷却系在怠速工况下的性能做了研究分析瞳2 2 引； 华中科技大学的杨家军教授运用一、三维耦合的计算方法对中冷系统进行了模拟 计算，解决了发动机舱内温度场和流场不能定量和直观描述的问题伸制；浙江大学 的俞小莉教授运用数值模拟和试验研究相结合的方法对散热器中的传热及流体流 动问题进行了研究，对整车散热器的选型、匹配设计等提供了相关依据晗引；湖南 大学的袁侠义等建立了汽车发动机舱的三维数值模型，并对其进行了流场和温度 场的分析。得到了发动机舱内的温度场和速度场，量化地判断出发动机舱内的最 高温度的位置，为发动机舱的总布置提供了参考陋6 l ；还有一些汽车公司的研究人 员在这方面也做了一些研究，例如，东风商用车研发中心的蒋光福应用商用c f d 软件f l u e n t 和k u l i ，采用汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法，分别对 发动机最大扭矩点和额定功率点下机舱的温度场特性和散热特性进行研究。为发 动机舱内冷却系统参数的选择与判定提供了指导晗7 1 。 1 2 2 商用车热管理研究现状 上面叙述的都是国内外在乘用车方面对机舱热管理所做的一些研究，从中可 以看出在乘用车方面，机舱热管理研究已经做的比较全面了，从整车到冷却系统 的各主要冷却部件，从一维、三维到一、三维耦合，从发动机冷却系统到发动机 舱结构等都有比较深入的研究。但是在商用车方面，类似的研究还不是很多，特 别是在客车这块。在客车机舱热管理方面国内主要还是以试验研究和理论分析为 主，运用c f d 软件对客车机舱内温度场和流场进行分析的相关研究还很少有。像 王忠，历宝录，黄成海等对后置发动机客车机舱内空间温度场进行了试验研究。 通过对整车进行不同工况的转鼓台架试验和道路试验，测得了不同环境、不同整 车负载情况下，发动机后置客车机舱内温度场的分布规律并进行了对比分析，并 研究了机舱内的湿度、环境温度和发动机工作状况等对发动机出水温度、热负荷 5 客车机舱热管理及结构改进 的影响，最后提出了一种基于机舱温度的整车冷却系统的评价指标汹】：赖赣明， 叶忠伟等对后置发动机城市公交车冷却系统进行了定性分析。分析了影响后置发 动机城市公交客车冷却系统散热效果的各种因素，明确了提高冷却系统散热效果 的途径、设计建议及注意事项等他引；李增芳，孙培峰对后置发动机客车冷却系统 冷却能力不足情况进行了分析并提出了相关改进意见们；徐德海对客车发动机工 作环境负荷试验方法进行了研究口；彭志伟对客车发动机舱热管理系统工作原理 进行了分析研究引；余云，刘伟红针对s l 6 6 0 1 型客车发动机过热问题阐述了发 动机过热的危害性，并对散热器、风扇等冷却系部件进行了结构改进口引；中国第 一汽车集团公司技术中心的金叙龙和杨兴龙对c a 6 4 7 1 轻型客车机舱通风和冷却 性能进行了试验研究，提出了改进发动机舱通风和冷却性能的7 项措施，并将7 项措施组合成4 种改进方案，通过对每个方案进行试验研究确定了初步改进方案。 在上面改进方案的基础上对散热器性能进行了进一步的改善，最终确定了c a 6 4 7 1 轻型客车机舱通风和冷却性能改善的设计方案，成功解决了原c a 6 4 4 0 轻型客车 出现的发动机过热问题啼引。 在商用车中，货车运用c f d 软件进行机舱热管理研究这一块要比客车稍微多 一点，并且目前己日益受到业界人士的关注。西北工业大学的张彬乾教授，应用 c f d 数值模拟方法，利用商用c f d 软件f l u e n t 对某载重卡车在耦合外流的情况 下对发动机舱内流及温度场进行了仿真计算。通过采用实验数据、仿真计算和理 论分析相结合的方法成功解决了该载重卡车机舱过热问题，最后提出了一些改善 发动机舱内流的意见及建议口割；沃尔沃卡车北美公司的研究人员c l i n t o nl a f f e r t y ， k e v i nh o r r i g a n 和a l e sa l a j b e g o v i c 利用p o w e r f l o w 软件对某卡车冷却系的零部 件、风扇直径、风扇安装位置、风扇罩形状和发动机进了优化并对该卡车的废气 再循环系统进行了重新布置，最后有效的改善了该卡车发动机舱内的流动情况， 提高了机舱的冷却效果m 1 ；湖南大学的牛俊等对重型卡车发动机冷却系统优化匹 配和机舱热管理进行了研究，为重型卡车发动机冷却系统的选型提供参考依据 ；n o b e l ，t 和j a i n ，s 对一重型卡车完整的c a d 模型运用c f d 软件进行了发动 机舱热管理仿真，并与试验数据进行对比验证模拟结果，并与下一年对该重型卡 车机舱过热进行了模拟并提出了改进意见b 8 3 9 1 。 综上所述，我们可以看出，在机舱热管理方面的研究主要是采用数值模拟仿 真的方法，只是所研究的侧重点不同。基于昂贵的试验费用，本文所采用的研究 方法也是数值模拟。以前的研究学者对汽车机舱热管理做的研究主要是针对轿车 的有少部分是针对载重汽车，对客车进行的机舱热管理主要还停留在试验测量和 理论分析上，对客车发动机舱进行c f d 模拟仿真在国内目前还处于空白阶段。本 文针对某公交车在高温天气下，机舱出现过热现象进行c f d 分析，找出机舱过热 的原因和机舱温度过高的区域，提出改进方案，为以后同类车型开发提供参考和 6 硕士学位论文 依据。 1 3 本文主要研究内容及安排 本文针对某公交车在高温天气下机舱出现过热现象进行了以下研究： ( 1 ) 对实车整体尺寸和机舱内各零部件的相对位置及尺寸进行测量，然后进行 c a d 建模。由于机舱内部结构非常复杂，在c a d 建模时忽略了一些对流体流动 影响不大的细微管道； ( 2 ) 对客车发动机热管理的数学模型进行研究分析，得出进行数值计算所需要 的边界条件，并确定这些边界条件： ( 3 ) 在考虑空气和发动机发热部件对流传热及发动机发热部件间热传导的情 况下，利用c f d 仿真软件对客车机舱内部的温度场和流场进行模拟； ( 4 ) 针对该客车出现机舱过热情况，对机舱内部的结构进行研究分析，提出三 种改进措施，并进行不同的组合以寻求最优化的组合，通过对改进后模型温度场 的对比研究和采用机舱散热评价指标进行评价得到了最佳改进方案； ( 5 ) 对前面的计算及分析的结果进行总结，对后置发动机客车机舱结构对机舱 散热的影响进行分析，为以后客车设计提供参考和指导。 本文研究流程按图1 1 所示流程进行。 建立机舱c a d 模型 0 对机舱c a d 模型进行表面修复及网格划分 0 湍流模型选择、边界条件设置及求解控制参数设定 0 选定一个工况对c f d 计算模型进行标定 一一 0 一一 最大负荷下机舱过热分析及外流场分析 0 i 针对机舱过热分析结果提出改进方案并对c a 。模型进行改进 0 对改进后c a d 模型进行c f d 模拟 0 改进结果分析与评价 0 确定改进方案 图1 1 流程图 7 客车机舱热管理及结构改进 1 4 本章小结 本章对c f d 模拟在汽车设计中的重要作用做了简要的介绍，结合国内外机舱 热管理现状，得出目前研究机舱热管理几种主要的方法。并针对某客车机舱过热 现象提出了本文的研究工作的目的、意义、研究内容及研究流程。 8 硕士学位论文 第2 章计算流体动力学基本理论 流体流动现象普遍存在于各种工程领域和自然界中，且所有的这些流动过程 都必须遵循动量守恒、质量守恒和能量守恒等基本物理定律。计算流体动力学是 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ，简称c f d ) 随着高速计算机的出现而产生的一种新 的方法，它主要是运用计算机进行数值计算和图像显示，对流体流动和热传导等 过程进行系统分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连 续的物理量场用有限个离散点上的变量值来代替，并通过一定的方式把这些离散 点上的变量值之间的关系用代数方程表示，然后求解代数方程获得场变量的近似 值0 4 引。 2 1c f d 优点及计算流程 流体流动分析方法包括：理论分析法、实验测试发和c f d 方法。图2 1 “3 1 给 出了表征三者之间关系的流体力学示意图。 图2 1 “三维”流体力学示意图 理论分析的优点在于所得结果具有普遍性，对结果存在影响的各种影响因素 清晰可见。但是，它往往需要对分析对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。 对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测试方法所得到的实验 结果真实可信，他是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实 验往往会受到实验模型尺寸和测量精度等条件的限制，甚至有时候一些结果很难 通过试验方法得到结果。c f d 方法是对一个特定的计算区域在计算机上进行数值 计算，类似在实际情况下做一次物理实验。并且c f d 模拟可以得到比实验更丰富 的信息，能够再现真实流动的情景。因此近些年己得到了广泛的应用。运用c f d 方法对流体流动过程进行数值分析的具体步骤为： ( 1 ) 建立反映物理问题本质或工程问题的数学模型； ( 2 ) 寻求高效、高准确度的计算方法： ( 3 ) 编制程序和进行计算； ( 4 ) 显示结果。 9 客车机舱热管理及结构改进 采用c f d 计算的基本流程如图2 2 所示。 建立控串i j 方程 确立初始边界条件 划分计算网格，生成计算节点 建立离敞方程 离散初始条件和边界条件 绘定求解控制参数 查竺兰竺垄兰l 茶解是否收敛二旦 显示和输出计算结果 图2 2c f d 计算流程 2 2 流动和传热基本控制方程 所有流体流动都必须遵守物理守恒定律。基本的守恒定律主要有：质量守恒 定律、动量守恒定律和能量守恒定律。如果流体流动过程中还含有不同成分的混 合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。这些守恒定律在数值方法中的数学 描述就是控制方程。 2 2 1 质量守恒方程 质量守恒方程即连续性方程，是所有流体流动过程中都必须满足的方程，其 具体定义为：流体微团质量单位时间内的增加量等于同一时间内流入该流体微团 的净质量。由该定义可以得到质量守恒方程1 ： o f , + 型+ 型+ 型：o ( 2 1 ) a l瓠 却 瑟 式( 2 1 ) 中p 为流体密度，甜、，、w 分别为x 、y 、z 三个方向的速度，f 为时间。 式( 2 1 ) 给出的是在任何情况下都适用的三维瞬态可压流体的质量守恒方程。如流 体为不可压流体，即流体密度p 为常数，则式( 2 1 ) 变为： 坐+ 尘+ 坐：0 ( 2 2 ) 良咖出 。 l o 硕士学位论文 2 2 2 动量守恒方程 同连续性方程一样，动量守恒方程也是所有的流体流动都必须遵守的基本控 制方程。动量守恒定律的定义为：流体微元动量随时间的变化率等于作用于该微 元上所有外力的总和。动量守恒方程按x ，y 和z 方向可以分别写成h 洲： 掣+ a i v ( 垆一塞+ 誓+ 等+ 誓+ c 掣砌v ( 删) = 专+ 誓+ 誓+ 誓+ c c 2 司 型c g t 砌v ( 垆一警+ 誓+ 等+ 等+ e 式( 2 3 ) 中，p 为作用在流体微元体上的压力；酝、幻和等为粘性应力f 的 分量；足、毋和足为作用在流体微元体上三个方向的外力，例如，如果三个方向 上的外力中只有重力存在且z 方向为竖直向上，则r = 0