（机械工程专业论文）汽车发动机舱散热特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在竞争激烈的汽车工业里，最大限度地降低成本和缩短设计与开发周期显得日益 重要。计算流体力学( c f d ) 技术针对各种各样用于产品开发和检验的传统试验方法，提 供了一种经济有效的替代手段。c f d 技术能够更高效地解决复杂的流动与传热问题， 减少试验次数，节省产品开发费用，缩短产品设计周期，增强产品的市场竞争力。 本文根据汽车产品研发的需要，应用商用c f d 软件f l u e n t 和k u l i ，采用基于 n a v i e r s t o k e s 方程的汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法，对某汽车在车速 v = 2 5 k m h 时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点下发动机舱的散热特性和温度 场特性进行研究。快速而准确地指导发动机舱内冷却系统的参数选择与判定。研究发 动机舱内的温度分布特性及最高温度值，控制发动机舱内空气最高温度低于设计目标 值，从而判别发动机舱内的温度特性是否满足设计要求。 本文从流量与热量之间的转换关系出发，根据德国b e h r 实验室提供的散热器( 冷 凝器和中冷器) 空气流量与散热热流量试验结果，进行转换处理，计算出各工况下， 空气通过散热器( 冷凝器和中冷器) 所带走的热量。而该热量正是散热器中冷却水或者 中冷器中高温空气所损失的热量值。把f l u e n t 的计算结果输入k u l i 软件中，从而得 到散热器中冷却水或者中冷器中高温空气的进出口温度差。以冷却常数作为评估散热 器敖热性能的主要指标。以冷却效率作为评估中冷器散热性能的主要指标，设计要求 冷却效率应高于8 0 ，冷却常数应低于设计目标值。 通过对冷却系统和发动机舱进风口结构设计的研究，探索提高冷却系统和发动机 舱的散热性能的可行性。研究整车的空气动力学性能：流场、风阻系数和升力系数， 以判断其气动性能是否满足设计要求。 关键词：c f d ，汽车，发动机，冷却系统，传热，温度场，空气动力学。 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec o m p e t i n ga u t o m o b i l ei n d u s t r yd r a s t i c a l l y , i ti ss p e c i a li m p o r t a n c et od e c r e a s e t h ec o s ta n dt os h o r t e nt h ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dt i m ea sm a n ya sp o s s i b l e t h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d lt e c h n i q u ec o m p a r e 、i t l lt h ed i f f e r e n tc o n v e n t i o n a l t e s t i n gm e t h o d su s e da st h ec h e c k i n gu pa n dd e v e l o p i n gp r o d u c t ，i ti sak i n do fe c o n o m i c a n de f f e c t i v es u b s t i t u t em e t h o d i ti sam o r ee f f i c i e n tm o d e mm e t h o dt os o l v et h ec o m p l e x f l o wa n dh e a tt r a n s f e rq u e s t i o n ，i no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro ft h et e s t i n g ，t oe c o n o m i z e t h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t ，t os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e sa n dt oi n c r e a s et h em a r k e t c o m p e t i t i o na b i l i t yo f t h ep r o d u c t b a s e do nt h en e e do ft h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n ga u t o m o b i l ep r o d u c t ，u s e dt h e c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n ta n dk u l i ，s i m u l t a n e o u s l yc o m p u t e dt h ea u t o m o b i l e e x t e r n a lf l o wf i e l da n dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h ee n g i n er o o mw i t ht h en a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n , r e s e a r c h e dt h eh e a tt r a n s f e ra n dt e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i cf o rt h ee n g i n e r o o mi nt h em a x i m a lt o r q u ea n dr a t e dp o w e rc a s eo ft h ea u t o m o b i l ee n g i n e ，a st h e a u t o m o b i l ev e l o c i t yi s2 5k m h r a p i d l ya n da c c u r a t e l yg u i d e dt h ec h o i c ea n de s t i m a t ef o r t h ec o o l i n gs y s t e mp a r a m e t e ri nt h ee n g i n er o o m r e s e a r c h e dt h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c a n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ev a l u eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ee n g i n er o o m ，i no r d e rt o c o n t r o lt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ev a l u eb e l o wt h ed e s i g nt a r g e tv a l u e ，s ot h a ti ti sc a na s s e s s e d w h e t h e rt h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ee n g i n er o o mi ss a t i s f i e dw i t l lt h ed e s i g nr e q u e s t b a s e do nt h et r a n s l a t i n gr e l a t i o nb e t w e e nl i q u i df l u xa n dq u a n t i t yo fh e a t ，u s e dt h e t e s t i n gr e s u l tb e t w e e nt h ec o o l i n ga i rm a s sf l u xa n dt h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e rf o rt h e r a d i a t o r ( c h a r g e a i rc o o l e ra n dc o n d e n s e r ) ，p r o v i d e d b y t h eb e h rl a b o r a t o r yo f g e r m a n y c o m p u t e dt h eq u a n t i t yo fh e a tc o n d u c t e db ya i rt h r o u g ht h er a d i a t o r ( c h a r g ea i r c o o l e ra n dc o n d e n s e r ) ，i ti st h ed i f f u s eh e a tf l u xo f t h ec o o l i n gw a t e rf o rt h er a d i a t o ro rt h e h i g ht e m p e r a t u r ea i rf o rt h ec h a r g ea i rc o o l e r i n p u t e dt h er e s u l to u t p u a e db yt h ef l u e n t i n t ok u l i ，s ot h a ti ti sc a nc o m p u t e dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n l e ta n do u t l e to f t h ec o o l i n gw a t e ro ft h er a d i a t o ro rt h eh i g ht e m p e r a t u r ea i ro ft h ec h a r g ea i rc o o l e r t h e c o o l i n gc o n s t a n to ft h er a d i a t o ri st h ep r i m a r yt a r g e tf o rc o o l i n gp e r f o r m a n c e t h ec o o l i n g l i 华中科技大学硕士学位论文 e f f i c i e n c yo f t h ec h a r g ea i rc o o l e ri st h ep r i m a r yt a r g e tf o rt h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e t h e c o o l i n ge f f i c i e n c ym u s ti sh i g h e rt h a n8 0 ，t h ec o o l i n gc o n s t a n tm u s ti sl o w e rt h a nt h e d e s i g nt a r g e t t h ep a p e ri sr e s e a r c h e dt h es t r u c t u r ed e s i g nf o rt h ec o o l i n gs y s t e ma n dt h ea i ri n t a k e ， i no r d e rt oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo fe n h a n c e i n gt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ef o rt h e c o o l i n gs y s t e ma n dt h ee n g i n er o o m ， r e s e a r c h e dt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ：t h ef l o wf i e l d 、t h ed r a ga n d l i f tc o e f f i c i e n t , i no r d e rt oe v a l u a t ew h e t h e rt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei ss a t i s f i e dw i m t h ed e s i g nr e q u e s t k e y w o r d s ：c f d ，a u t o m o b i l e ，e n g i n e ，t h ec o o l i n gs y s t e m ，h e a tt r a n s f e r ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，a e r o d y n a m i c s 1 l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蒋老彳| 溘 2 钾s 年d 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：指导教师签名： 靠粝熬 2 毋年。月3 ) 日硝年少月；日 华中科技大学硕士学位论文 l绪论 1 1 汽车设计方法的发展与特点 在竞争越来越激烈的汽车市场中，各汽车生产厂家为了在国际国内汽车市场上占据 一定的优势，都希望能在最短的时间内制造出品质最佳的汽车。发动机是汽车的三大总成 之一，发动机设计是汽车设计中的重中之重。汽车发动机是汽车的心脏，是汽车的动力之 源，也是汽车废气污染产生之源。为此，发动机设计应在如下几方面满足要求： 1 全部结构元件的可靠性和使用寿命。 2 用效率或燃油消耗率评价的热能转换为机械功的程度，燃油消耗率( 是指单位 时间，单位功率所消耗的燃料量) 。 3 比功率( 单位气缸排量或单位活塞面积的发动机功率) 。 4 比质量( 每单位功率的发动机质量) 及发动机的外形尺寸。 5 排气中有害物质及碳烟的含量，发动机工作时的噪声水平。 6 结构简单，使用方便和保养费用低廉。 7 起动可靠性。 8 结构的先进性。 发动机经济性，动力性，重量及尺寸，热力过程的效率，重要零部件的寿命，改进结 构强度的方法和制造过程之间存在的复杂的内在关系，是设计汽车发动机的出发点， 发动机的性能直接影响到汽车的经济性，动力性和社会性。 传统的发动机设计主要是以经验设计为主，以试验分析为评价手段。通常是在完 成发动机设计后，先制造出发动机结构件，然后再进行试验。整个设计过程包括结构设 计一试制一试验一结构修改一再设计这样一个乃至几个循环。由于试验是发生在产品 设计周期的后期，根据试验结果来修改设计，产品开发周期长，试制试验费用高，而且 由于时间和费用的限制，只能对少数设计方案进行试制试验，因此，传统的汽车设计方 法很难满足发动机设计应达到的全部要求”1 。 华中科技大学硕士学位论文 自二十世纪七十年代初，以计算机辅助工程( c a e ) ，计算流体动力学( c f d ) 等计算 机仿真技术出现以来，汽车设计方法发生了根本性的改变。由原来的经验、类比、静 态设计，逐渐向动态分析、动态优化及虚拟现实的现代设计转变。现代设计方法有以 下几个特点”1 ： 1 ) 设计与仿真并行。从一开始的，以满足一定性能要求为目的结构选型，结构设计， 到具体设计方案的比较及确定，设计方案的模拟试验，发动机设计的各个阶段都有计 算机仿真分析的参与。这样确定的发动机设计方案，基本上就是较优方案。由此方案 试制出的样车只需少量的验证试验即可定型。 2 ) 大量的虚拟试验代替实物试验。至此二十一世纪，仿真分析的技术几乎是到了 炉火纯青的阶段，加上高速计算机的诞生，仿真分析人员已可掌握虚拟现实技术作为 产品开发最有效的工具。一些大汽车公司的产品开发工作人员已采用虚拟样车来进行 新产品的开发。虚拟样车不但可缩短产品开发的周期，优化产品并降低产品成本，更 重要的是产品开发的能力亦是国家实力的指标之一。虚拟样车就是运用计算机辅助设 计的数据予以网络化来表示汽车的结构“1 。进而应用网络数据表示汽车结构来模拟试 车场上各种不同的试验状况。当这网络表示的汽车经结构分析软件分析后，其所获得 的结果与实际的车辆或样车在同样的试验状态中所得到的测试数据相仿时，这个网格 数据表示的汽车就是虚拟样车。 3 ) 计算机辅助工程领导计算机辅助设计。产品开发首先要有产品规范和设计指 标。当有了设计之后，需要制造模具。而模具开发的顺利与否和产品的设计好坏有密 切的关系。不良的设计往往是在多次模具试制失败后才作修正。计算机辅助工程可用 来预测设计的产品是否适于制造，不需要反复多次加工实际样品来验证，从而可以节 约模具制造的费用，缩短产品开发的时间。目前在福特( f o r d ) 、通用( g m ) 等汽车公司 都是以模拟分析来肯定和认证设计后，再建立模具，因此可免除由于不良设计而引起 模具不能制造的问题，同时省掉了重复修正模具的时间和金钱。模具制造部门若能和 设计部门共用一个数据库，更可节省重建数据库的时间。再以虚拟样车来验证车辆的 设计，以确定产品是否合乎政府的设计规范和要求，继而再进行优化分析和设计。运 用虚拟样车更可缩短产品的开发时间。虚拟样车现在已被欧美汽车公司的产品开发部 华中科技大学硕士学位论文 门作为设计过程中的一环，由于不断地积累经验，其模拟精确度也与目俱增。 要达到c a e 领导c a d 就必须有设计指标和仿真分析指南。车辆的设计指标包括车 重、应力和位移的规定、噪声、安全规范、座椅的舒适度、生产的可行性、车辆的价 格和利润，以及顾客的接受度等。 在开发过程中，应当全方位应用顶尖的计算机软件作为汽车研究开发之工具，抛 弃传统的多样车和多零件测试的研究方法，而采用少数有限的样车测试，这是当今企 业界产品开发又省时又省钱的作法。福特汽车公司以工程设计的数据库与供应商共 享，缩短了2 0 0 2 年雷鸟车设计到投产的过程。通用汽车公司首次运用全部由软件主 导的车辆设计，2 0 0 2 年使汽车的设计时间缩短了6 1 2 个月。在这智慧竞争的世界谁 能用最少的金钱和时间去完成任务，谁就是先到达计算机模拟技术完善的境界。 4 ) 在汽车设计方法的发展过程中，反求设计( i n v e r s ed e s i g n ) 起到了相当大的作 用“1 。反求设计是以设计方法学为指导，以现代设计理论，方法，技术为基础，利用设计 者的经验，知识和创新思维，对现有的高水平结构设计进行解剖，深化，通过对结构的 充分消化和吸收，来寻求结构设计的科学性、技术性、先进性、合理性等，在此基础上 对其再进行改进，挖潜和再创造。 5 ) 国外汽车业界已建立起c 3 p 体系，用一个产品数据管理系统( p d m ) 把计算机辅 助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 集成起来，融汇到 一个遍布全球的公用数据系统之中，即c 3 p ( c a d c a m c a e p d m ) 。c 3 p 技术的最终实 施应用，为企业带来根本上的好处，为企业加强综合竞争力打下良好基础：福特汽车 公司建立起c 3 p 体系后：一个新车型的开发周期从以前的3 6 个月缩短到1 8 个月乃至 1 2 个月；新车开发豹后期设计修改减少5 0 ；原型车制造和测试成本减少5 0 ；投资 收益提高3 0 。 在产品设计中，设计师将c a d 与仿真技术良好融合，就可以达到设计的理想状态 一互动设计，从而保证企业从生产设计环节上达到最优效益。在汽车设计行业，国外 著名轿车公司在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样车， _ 才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有3 0 多辆就足够了，大部分的设计内容都是通 过仿真分析软件在电脑中模拟实现的。这样可以节约2 3 的资金和大量研制时间a 3 华中科技大学硕士学位论文 1 2 计算流体动力学( c f d ) 在汽车上的应用现状及展望 c f d 技术起源于七十年代末嘲，随着硬件和软件技术的不断提高，c f d 已有广泛的 应用领域，如航空航天、船舶、汽车、电子电气、机械、化工、燃料电池、石油、建 筑、钢铁、冶金、电力、环境、空调、聚合物、半导体、生物、医药、玻璃、搅拌等 等，可对各类的流动、传热、传质及燃烧等传输问题进行模拟分析。 在竞争激烈的汽车工业里，最大限度地降低产品成本和缩短产品开发周期显得日 益重要。c f d 针对各种各样用于产品开发和检验的传统试验方法，提供了一种经济有效 的替代手段。 评价汽车的空气动力学状况，c f d 降低了对昂贵的粘土模型和风洞试验的依赖性。 同时，c f d 的计算结果使得对流动特性和细节有了全面的了解，故此使设计上的改进更 加可靠。 c f d 模拟各种流体流动和传热现象的能力，使其被应用在汽车设计的其余领域。汽 缸内流动、通过阀门的流动、通风以及发动机冷却等都可使用c f d 来进行研究。1 。 目前c f d 在汽车上可以模拟： 外流场分析及风阻计算； 空调系统气流分析： 玻璃除霜模拟； 油箱晃动模拟； 发动机舱内部件换热分析； 发动机汽缸燃烧模拟； 发动机进、排气管道模拟； 发动机水套换热分析； 各种油泵、风扇模拟。 2 0 0 0 年a d a mo p e la g 公司采用f l u e n t 软件对o p e la s t r a 型号轿车进行了外流 场模拟。整个模拟过程分为前处理、解算和后处理三个阶段。在前处理阶段，采用c a d 软件u g 进行建模。整个模拟过程大致需5 到1 1 天时间，共用了3 0 0 万网格单元。计 4 华中科技大学硕士学位论文 算得到的风阻系数与试验误差在5 1 0 之内。计算结果为设计人员提供了可靠的设计 依据，并为后续的结构分析提供了必须的压力、温度数据。有关设计人员认为，f l u e n t 的计算结果是可靠的，可以有效地减少风洞的试验次数，降低设计成本，加快新车型 的研发过程。 2 0 0 4 年欧美一些汽车公司，在汽车空气动力学仿真分析方面，应用非常成熟，计算 结果精度非常高，计算得到的风阻系数与试验误差在l 以内；流场单元数达一千万以 上，可是计算时间不到一天就完成了。 福特( f o r d ) 汽车公司用f l u e n t 软件对发动机冷却水套、汽车空调系统进行了详 尽的模拟。由于发动机水套的几何极其复杂，在网格生成中采用了完全非结构化的四 面体网格，提高了网格的质量和灵活性，从而大大缩短了工程师前期建模的时间。对 发动机水套的c f d 分析有助于设计过程中在增加冷却效率和减少流动损失中取得最佳 平衡。乘客和驾驶员的舒适程度是空调系统模拟的最重要的指标，而通过c f d 模拟更 容易改善气流的品质，从而优化设计过程，提高舒适度。 j a g u a r 汽车发动机公司对发动机进、排气系统及汽缸内的燃烧过程进行了系统的 分析。j a g u a r 公司的工程师对不同阀门开度下的汽缸燃烧过程和进、排气系统进行了 c f d 计算，并与试验做了校验。目前，j a g u a r 的设计人员把f l u e n t 软件作为分析工 具，从而有效地改善了进气口的设计，显著减少了发动机的油耗。 c f o 常用软件有：f l u e n t 系列、s t a r c o 、p h o e n i x 、a n s y sc f x 等。其中f l u e n t 系列是其中的骄骄者。 f l u e n t 公司是享誉世界的最大的计算流体动力学( c f d ) 软件供应商。在全球众 多的c f d 软件开发、研究厂商中，f l u e n t 独占了4 0 以上的市场份额。f l u e n t 是通用 的c f d 软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多 种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解精 度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使f l u e n t 在 转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪 声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。汽车领域是f l u e n t 公司最为重视的行 业之一。几乎全球所有知名的汽车厂家都是f l u e n t 的用户，如c h r y s l e r 、f o r d 、g m 、 5 华中科技大学硕士学位论文 h i n o 、h o n d a ，j a g u a r ，j o r d a nf i 、m i t s u b i s h i ，p e u g e o t 、r e n a u l t 、s e i m e n sa u t o m o b i l e ， t o y o t a 、v o l v o 等。2 0 0 4 年f l u n e t 在全球c f d 领域的营业额高达$ 1 1 亿元，处于绝 对领先的地位”3 。作为专业的c f d 软件，f l u e n t 可用于汽车领域的外部流场分析、发 动机流场分析、空调系统分析、水泵及风扇的流场模拟、油箱晃动模拟、液压油路设 计等方面。 f l u e n t 软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于汽 车发动机各种复杂情况下的燃烧问题。燃烧模型是f l u e n t 软件优于其它c f d 软件的 最主要的特征之一。 f l u e n t 具有强大的后置处理功能，能够完成c f d 计算所要求的功能，包括速度矢 量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图、并具有积分功能，可以求得汽车所受到各 种力、力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。对于用户关心的参数和计算中的误差 可以随时进行动态跟踪显示。对于燃烧问题，f l u e n t 还提供组分，蒸发率分布等参数。 1 3 本文的研究目的、内容及意义 在发动机设计时，冷却系统的基本参数选取原则是：在外界温度为4 0 。c 时，当汽 车在高速档运转，并以2 5 k m h 的低速行驶时，要保证散去所有要求散去的热量。在其 它所有条件下，冷却系设有专门装置，来维持冷却液或气缸盖壁面( 空气冷却时) 的温 度在适当水平。冷却包主要的热动力学目标是敦热器的最高水温州。在连续行驶情况下 它必需不超过11 5 。c ，在峰值载货下它必需不超过1 2 5 。c 。冷却常数是评估散热器冷 却性能的主要指标，冷却效率是评估中冷器冷却性能的主要指标。冷却效率应高于8 0 冷却常数应低于设计目标值。 本文的研究目的： 1 ) 发动机冷却系( 散热器) 是为了使发动机在所有负荷和转速工况下保持稳定的 热状态，并保证发动机处于最佳的温度状态，阻使发动机获得展大的经济性和动力性 指标。选取满足上述要求的发动机冷却系( 散热器) 型号和参数，使散热器的冷却常数 低于设计目标值。 2 ) 选取满足要求的中冷器型号和参数。由于近代汽车载重量和速度不断增加，要 华中科技大学硕士学位论文 求在发动机尺寸和重量基本不变的情况下，为了提高发动机的机械效率和输出功率， 为了降低排放中有害气体和碳烟的含量，一条非常有效的措施就是增压，即在发动机 进气前加增压器以提高进入发动机的进气压力，但是，根据空气热力学原理，空气增压 后温度会大幅度提高，而过高温度的空气进入发动机气缸内，不利于混合气的燃烧，要 求把空气增压后高温气体降低到一定的温度范围内，再送入发动机气缸内，实现这个 降温的设备就是中冷器。中冷器内高温气体通过发动机舱内冷空气吹过中冷器把多余 的热量带走，实现高温气体降温到一定的温度范围内的目的。选取满足上述要求的中 冷器型号和参数，使中冷器的冷却效率高于8 0 。 3 ) 空调冷凝器型号和参数的选取。随着人们物质生活水平的提高，对汽车舒适性 的要求越来越高，大部分汽车均装备有空调，特别是在炎夏时节行车开空调，空调冷凝 器需要散热，及时有效地把空调冷凝器中冷凝剂的热量散到空气中去非常重要。 4 ) 发动机风扇型号和参数的选取。发动机风扇在发动机舱中位于散热器，冷凝器， 中冷器之后和发动机体之前，对教热器，冷凝器和中冷器是吸风作用，对发动机体是吹 风作用，对发动机舱内外的空气流动( 流场) 和温度场分布起着非常重要的作用。直接 影响各冷却系统的散热性能。 5 ) 汽车发动机舱温度场分析研究。考虑发动机舱内所有散热元件及发动机体本身 向外的散热情况，分析发动机舱内的温度场，研究发动机舱内的温度分布特性及最高 温度值，使发动机舱内空气最高温度控制在设计指标值内，从而判别发动机舱内的温 度特性是否满足设计要求。 6 ) 汽车的空气动力学性能是汽车的重要性能指标，风阻系数的大小影响汽车的燃 油经济性、动力性和对环境的污染程度，升力系数的大小影响汽车的操纵稳定性和行 驶安全性，因此，风阻系数和升力系数越低，其空气动力学性能越好。 根据东风汽车有限公司商用车研发中心提供的车型数学模型、计算工况，应用商 用计算流体力学软件f l u e n t ，采用基于n a v i e r s t o k e s 方程的汽车外流场与发动机舱 内流场耦合计算方法，对某汽车在车速v = 2 5 k m h 时发动机分别处于额定功率点和最 大扭矩点下发动机舱的教热、流场和温度场等特性进行研究。具体内容为： 1 ) 汽车发动机舱内散热元件( 散热器，中冷器和冷凝器) 的散热特性的分析研究， 通过对散热器、冷凝器和中冷器参数的灵敏度分析，可以非常迅速地找到与发动机舱、 7 华中科技大学硕士学位论文 散热器、冷凝器和中冷器散热很好匹配的散热器、冷凝器和中冷器参数，为选择最佳 的散热器、冷凝器和中冷器参数提供设计指导。 2 ) 发动机舱内、外空气流动耦合数值分析( 内、外流场特性) 研究，这样更准确地 模拟发动机舱内的流场和精确地计算出流过各散热元件( 散热器、中冷器和冷凝器) 的 空气流量；通过对散热器的冷却常数和中冷器的冷却效率分析，判断中冷器和散热器 的热性能是否满足设计要求。 3 ) 汽车发动机舱温度场分析研究。模拟出发动机舱内的温度场，研究发动机舱内 的温度分布特性及最高温度值，以综合评价发动机舱内的散热性能。4 ) 研究整车的空 气动力学性能：风阻系数和升力系数以及流场特性。 5 ) 研究冷却系统和发动机舱进风口结构设计，提高冷却系统和发动机舱的散热性能。 本文所进行的研究具有如下实际意义： 1 ) 本文开辟了通过c f d 仿真技术研究发动机舱冷却系统参数匹配的新途径。以前 东风汽车公司为了摸清能与发动机很好匹配的散热器和中冷器参数，完全依赖于试验 手段，需要依赖大量的转觳试验在诸多预选方案中进行筛选，造成很大的资源浪费，并 且试验成本高，周期长，严重影响了产品开发的进度和新产品的早日投产。但是，通过 c f d 仿真技术研究发动机舱散热，可以克服上述缺陷，而且风扇、散热器和中冷器参数 的变换非常灵活，可以非常迅速找到与发动机匹配的风扇、散热器和中冷器参数，极大 地缩短产品设计周期，节省产品开发费用，增强产品的市场竞争力。该仿真分析可部分 替代转觳试验。 2 ) 研究发动机舱温度场，以前东风汽车公司没有开展这方面的工作，发动机舱内 的温度分布特性怎样和最高温度值是否超过发动机舱最高允许工作温度9 9 。c 等等问 题都不知道，本文开辟了通过c f d 仿真技术研究发动机舱温度场的新途径。 3 ) 通过对冷却系统和发动机舱进风口结构设计的研究，探索提高冷却系统和发动 机舱的散热性能的可行性。 4 ) 采用c f d 对汽车绕流特性进行数值分析己经逐渐成为汽车工业的重点研究方向 之一。在传统的汽车空气动力学研究中，大多采用风洞试验的方法，费效比高、周期长。 而c f d 技术具有方案灵活、信息丰富、成本低、周期短等特点，降低了对昂贵的粘土 8 华中科技大学硕士学位论文 模型和风洞试验的依赖性。同时，c f d 的计算结果使得对流动特性和细节有了全面的了 解，故此使设计上的改进更加可靠。 1 4 本文工作及论文安排 全文共分六章，第一章介绍汽车设计方法的发展与特点、计算流体动力学( c f d ) 在 汽车上的应用现状及展望和本文的研究目的、内容及意义，第二章介绍c f d 和传热学 的基础理论，第三章介绍c f d 模型化及试验数据分析，第四章介绍计算结果与讨论，第 五章介绍汽车结构设计研究。第六章介绍课题的结论。 本文研究流程按图1 1 所示流程进行。 读入汽车= 维c a d 几何模型到h y p e r m e s h 中 用h y p e r m e s h 软件清理c a d 几何，生成流场表面网格 i 读入流场表面网格到t # d 软件中，并生成流场流体网格l j 读入流场网格到f l u e n t 软件中，定义边界条件和设置控制参数。l 计算汽车外流空气动力学性能 f 计算在发动机最大扭矩点和额定功率点时汽车的流场和温度场。f 以前面结果为边界条件，用k u l i 软件计算冷却系统的进出口温度。 改冷凝器、中冷器和散热器之闻侧面和上表面为透气的墙面， l 重新计算在发动机最大扭矩点和额定功率点时汽车的流场和温度场。 修改发动机舱进风口的结构，重新计算在发动机最大扭矩点和 额定功率点时汽车的流场和温度场。 用f l u e n t 软件进行后处理 图1 1 研究流程简图 9 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章介绍了汽车设计方法的发展与特点、计算流体动力学( c f d ) 在汽车上的应用 现状及展望和本文的研究目的、内容及意义，同时也介绍了本文的研究流程及全文各 章的安排，给阅读全文一个指南。 华中科技大学硕士学位论文 2 流体动力学与传热学基本理论 2 1 描写流动与传热的控制方程 对流换热流动在三维直角坐标系中的质量守恒方程，动量守恒方程和能量守恒方 2 1 1 质量守恒方程( 又称为连续性方程) 对于固定在空f q 位置的微元控制体，质量守恒定律司表不为： 单位时间内微元控制体中流体质量的增加 = 同一时间间隔内流入该微元体的 净质量 詈妒杪淞= o q d 其中， 矿一微元控制体体积( m 3 ) ； s 一微元控制体面积2 ) ； p - 微元控制体中的流体密度( 船聊3 ) ； t 一时间o ) 。 式( 2 1 ) 的时间积分也可放在体积分内： 簿v 詈+ 杪础_ o q 2 上式第二项也可写成： 彬矿d s = 钟( p v ) a v ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 代入( 2 2 ) ，整理成： 贻+ v ( p 矿) 炒= o ( 2 4 ) “ 华中科技大学硕士学位论文 即 在空间位置的微元控制体上使上式成立，必须在控制体内所有点的被积函数为零 挈+ v ( p 矿) = 0( 2 5 ) o t 式中，v = v ( u ，v ，w ) 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为： v ( p 矿) = 0( 2 6 ) 2 1 2 动量守恒方程 对于固定在空闻位置的微元控制体，分别在三个坐标方向上应用牛顿第二定律可 表示为： 微元体中流体动量的增加率 = 作用在徽元体上各种力之和 则，动量守恒的积分形式为： 昙缈脚+ 。( p v d s 肛一垆+ 缈乃 ( 2 f ，) 其中， 矿一微元控制体体积( m 3 ) ； s 一微元控制体面积沏2 ) ； p 一微元控制体中的流体密度( 姆m 3 ) ； ，一代表每单位质量上的净体积力( ) ； 凡一作用于微元控制体表面上的粘性力( ) ； p 一作用在微元控制体表面上的压强( ：) ； t 一时问( s ) 。 上式通过变换，动量守恒的微分形式在三个坐标方向上的分量方程分别为： 掣+ v 妇矿) ：一罢4 - 兢4 - ( r ) 。 ( 2 8 a ) o tj j x 华中科技大学硕士学位论文 掣+ v b 矿) = 一考+ 织+ ( 乃) ， ( 2 8 b ) 掣m 伽矿) = 一考十兢啊) ： ( 2 8 。) 其中， 甜一方向矢量的x 分量： v 一方向矢量m y 分量： w 一方向矢量的z 分量。 对于无粘性( 乃= 0 ) 稳态( 绉= 0 ) 流动，流动动量守恒式( 2 8 ) 可简化为： v ，妇y ) = 一宴 2 9 a ) o x v b b 矿) = 一罢 ( 2 9 b ) 口v v 矿) = 一罢 ( 2 9 e ) 韶 式( 2 - 9 ) 为n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 , 1 3 能量守恒方程 微元体内热力学能的增加率 = 进入微元体的狰热流量 + 体积力与表面力对微 元体做的功 再引入导热f o u r i e r 定律，可得出用流体比焓h 及温度t 表示的能量方程： 掣+ 掣+ 掣4 - 掣；一p d i v 胁卿1 0 ) 动良 踟勿 一。7 其中，五是流体的导热系数，s h 为流体的内热源，p d i v u 系表面力对流体微元体 所做的功，般可以忽略；声为由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数， 萁计算式如下： 华中科技大学硕士学位论文 矽= 叩 2 ( 刳2 + 陪) 2 + ( 渤2 + ( 爹+ 劫2 + ( 鲁+ 割2 + ( 喜+ 爹) 2 2 2 热量传递的三种基本方式 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。其中，热量从温度较高的物体 传到与之接触的温度较低的物体，或者从一个物体温度较高的部分传递到温度较低的 部分叫做导热；流体各部分之间发生相对位移，把热量从一处带到另一处叫对流。流 体内部存在温度差时，因流体密度随温度而改变所引起的流体流动叫自然对流；流体 依赖外力而产生的流动叫强制对流。物体通过电磁波传递能量的过程叫辐射，物体由 于本身热的原因而发出的辐射能，这种辐射能是由热能转换而来的，所以叫热辐射。从 微观的角度看，物体内部的微观粒子，当它们的运动状态改变时，就会激发一种物质叫 量子，量子所携带的能量叫辐射能，量子以光速对外传播，当它们落到物体表面上被吸 收后，辐射能又可转化为该物体的热能，所以一个物体不仅在不断地放射出辐射能，而 且也不断地吸收出辐射能。工程中的实际传热问题是比较复杂的，常常是几种传热方 式同时起作用“州。 2 3 本章小结 本章简略介绍了本文研究所涉及到的主要基本理论及控制方程：主要包括流体流 动的三大守恒方程( 质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程) 和传热的三种基 本形式( 导热、对流和热辐射) 。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 计算方法 3 1 1 控制方程 3 流场数值计算 采用汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法，对某汽车发动机舱散热进行热 特性计算；所采用的控制方程是三维n a v i e r s t o k e s 方程，在直角坐标系下，其积分 形式可表示为： o 。f f c q a v + i l a f ( q ) 亓搬= l n g ( q ) 丽删 ( 3 1 ) 其中， o = p p u , o v p w e 0，砌m 酬阳惶 + g ( q ) 裆k e m ，( n x g l + b g 2 + n , g 3 ) g 1 = 0 气 k f 船 u f h + v t w + w f 托一q 1 1 5 o心0 ，iil引l【 华中科技大学硕士学位论文 g 2 = g 3 = 0 r 廿 f w g y z “f 叫+ v f ) l + w r 声一q y o f 腭 f 矗 u t x z 七t 耳+ w tz z qz r 。= 2 i t u x - 詈( “，+ 1 _ + 也) ； ， f 拶= 2 z v y 一詈 ，+ v y + 心) ； r z = 2 t w ：一詈( “x + v ，+ w ：) ； f x y = ( 甜y + k ) ；= ( 甜：+ k )； = ( v 。+ ) ； 一z a t 、一 弘 a t n订 q x 一丽i ；q y 一一p , ( r - o a y ；玩一可知蕾： 对于理想气体 p = ( r - o ( 8 。一j 1 尸l 甜2 + v 2 + w 2 ) ) ( 3 2 ) t = 腰p ( 3 3 ) 以上各个式中q 为控制体，a q 表示控制体外表面，p ，u ，昨畔p ，乃e 。分 别表示气体的密席( 艇m 3 ) 、x ，v 和z 方向的速度分量( i i l s ) 、压强( p a ) 、温度( k ) 华中科技大学硕士学位论文 及单位体积的总内能( w ) ，盯，疗，n ：分别是控制体表面外法线方向矢量亓的x ，y ，z 方向分量，拶表示面积分的微元，为粘性系数，只为p r a n d t l 数，为气体的比 热比。 3 1 2s i m p l e c 方法 由于本文计算的汽车车速较低( v = 2 5 k m h ) ，远小于0 3 马赫，因此，流场中的 流动空气可作为不可压缩流体处理，所以，本文采用计算汽车绕流的经典方法一不可 压缩流动的s i m p l e 方法。 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r el i n k e d e q u a t i o n s ) 方法是 p a t a n k a r 与s p a l d i n g