（车辆工程专业论文）燃料电池汽车前端进气数值模拟与测量技术.pdf

摘要 摘要 在石油资源日益枯竭、环境日益恶化的今天，世界知名汽车公司和科研机 构都把目光投向了节能、环保的燃料电池汽车。发动机舱热管理是燃料电池汽 车开发中的关键技术。通过研究燃料电池汽车前端进气并据此对发动机舱进行 结构和布置优化是改善发动机舱热管理的有效途径。前端进气的测量技术是进 行发动机舱热管理测试的关键技术。本文针对燃料电池汽车前端进气及叶轮式 风速计在前端进气测量中的应用进行了数值计算和试验研究。 首先基于计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 。c f d ) ，应用f l u e n t 软件对燃料电池汽车发动机舱内流场进行定常数值计算，以燃料电池散热器的 进气量为主要评价参数，研究了双风扇系统中风扇的旋转方向、风扇罩的作用、 格栅角度、冷却部件的相对位置等因素对冷却性能产生的影响。同时，对发动 机舱内的三维流场、风扇消耗的功率等进行比较分析，对前端和冷却模块的布 置提出建议。研究结果表明：对于采用双风扇系统的燃料电池车，两侧风扇都 向外旋转，可以有效提高前端进气量，增加进气的均匀性；提高风扇转速是改 善前端进气的有效途径，但提高转速也会使风扇的能量消耗迅速上升，在保证 冷却模块散热的前提下，采用较低的转速有利于减小风扇的能耗；风扇罩对于 增加进气量和改善散热器进气均匀性效果明显，在进行冷却模块设计时应该予 以采用；格栅对前端进气有导向作用，条形格栅比平面格栅在中高速时更有利 于前端进气，当格栅导向角在3 0 。3 0 0 变化时，前端进气量在3 范围内变化， 从保证前端进气的角度应取格栅导向角在1 5 0 o o 之间；冷却模块的布置对前端 进气影响明显，从保证前端进气量的角度，燃料电池散热器和其后部的冷却模 块之间间隙应该尽量小，而在保持风扇罩与p c u 散热器和主冷凝器连接的前提 下，改变风扇到散热器之间的距离，对前端进气量影响不大。 叶轮式风速计是进行前端进气测量的常用试验仪器。针对汽车前端进气的 测量，本文重点对叶轮式风速计的方向敏感性、叶轮阵列的气动阻力特性以及 进行前端进气测量时风速计对发动机舱流场的影响和叶轮的使用数量等问题进 行了数值和试验研究。研究发现：叶轮式风速计具有方向敏感性。当测量角度 在0 - - , 3 0 0 时，其测量值即为来流风速在叶轮轴线方向上的分量。应用其进j ? f i l s 端 进气测量时，所测得结果与实际通过前端模块的气流量比较接近。叶轮阵列的 厂 摘要 气动阻力与来流风速成二次函数关系，并且远远小于散热器的气动阻力。在前 方来流均匀的情况下，叶轮阵列对于其后方的散热器入口气流分布影响很小。 应用叶轮式风速计进行前端进气的测量时，测量装置对散热器的进气量及其入 口处的速度分布影响都较小。利用c f d 方法对叶轮式风速计的测量误差进行分 析，结果发现采用2 4 个左右的叶轮对于减小测量误差较为有利。 最后对研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词：燃料电池汽车，前端进气，计算流体力学，叶轮式风速计，方向敏感 性 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s , m o r ea n dm o r ec o n c e r ni sf o c u s e do nt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n de n e r g yr c s o u g c o $ c o n s u m p t i o n t h ew o r l d sl e a d i n ga u t o m o t i v ec o m p a n i e sa n d r e s e a r c hi n s t i t u t e sa l ed e v o t e dt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u e lc e l lv e h i c l e s e n g i n ec o m p a r t m e n tt h e r m a lm a n a g e m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s i nt h ed e v e l o p m e n to ff u e lc e l lv e h i c l e s o p t i m i z a t i o no ft h ee n g i n ec o m p a r t m e n t s t r u c t u r ea n dl a y o u tb ya n a l y z i n ga n di n v e s t i g a t i n gt h ef r o n te n da i rf l o wi sa n e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h et h e r m a lm a n a g e m e n tf o rt h ef u e lc e l lv e h i c l e n u m e r i c a l a n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sw e r em a d ec o n s i d e r i n gt h ef u e lc e l lv e h i c l ef r o n te n d a i rf l o wa n dt h eu s eo fp r o p e l l e rt y p ea n e m o m e t e ri nf r o n te n da i rf l o wm e a s u r e m e n t t h ei n v e s t i g a t i o n ss h o w e dt h a t ：f o rt h ef u e lc e l lv e h i c l eu s i n gd u a l f a ns y s t e m ， i ti ss u g g e s t e dt h a tb o t hf a n sr o t a t ef i o mt h em e d i a ls i d et ot h el a t e r a ls i d e ，s ot h a tt h e a i rf l o wr a t et h r o u g ht h ec o o l i n gp a c k a g ec a l lb ei n c r e a s e da n da i rf l o wu n i f o r m i t y c a nb ei m p r o v e d i n c r e a s i n gf a ns p e e di sa ne f f e c t i v ew a yt oi n c r e a s et h ef r o n te n da i r f l o w , b u ti ta l s ob u r d e n st h ec o o l i n gf a n s t h ef a n s r o t a t i n gs p e e ds h o u l db ea sl o wa s p o s s i b l eo nt h ep r e c o n d i t i o no fm e e t i n gt h e r m a lm a n a g e m e n tr e q u i r e m e n t s t h u st h e e n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s f a ns h r o u dc a ni n c r e a s et h ef r o n ta i rf l o wr a t ea n d i m p r o v et h ea i rf l o wu n i f o r m i t yo b v i o u s l y , a n ds h o u l db ec o n s i s t e di nt h ec o o l i n g p a c k a g e t h es h a p eo fg r i l l ea f f e c t st h ea i rf l o wd i r e c t i o n g r i l l ew i t hc e r t a i nd e f l e c t a n g l ei sh e l p f u lf o rt h ef r o n te n da i rf l o ww h e nt h ev e h i c l e ss p e e di sh i l g h w h e nt h e d e f l e c ta n g l ec h a n g e sa r o u n d - 3 0 。3 0 。，t h ef r o n te n da i rf l o wr a t ec h a n g e sb y0 3 t h ef r o n te n da i rf l o wr a t er e a c h e st h em a x i m u mw i t had e f l e c ta n g l ea b o u t 15 。- 0 。t h el a y o u to ft h ec o o l i n gp a c k a g eh a sd i s t i n c ti n f l u e n c eo nt h ef r o n te n da i rf l o w t h eg a pb e t w e e nf i l e lc e l lr a d i a t o ra n dt h ec o m p o n e n t sb e h i n di ts h o u l db ea ss m a l la s p o s s i b l ei no r d e rt oe n s u r et h ef r o n te n da i rf l o w t h ef i o n te n da i rf l o wi sa f f e c t e d l i t t l eb yt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ef a n sa n dt h er a d i a t o r si nf r o n to ft h e m w i t ht h e c o n n e c t i o no ft h ef a ns h r o u da n dt h er a d i a t o r si su n c h a n g e d p r o p e l l e rt y p ea n e m o m e t e ri s e f f e c t i v ei n m e a s u r i n gf r o n te n da i rf l o w v a b s t r a c t n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s w e r ep e r f o r m e do nt h eo r i e n t a t i o n s e n s i t i v i t yo ft h ep r o p e l l e ra n e m o m e t e r , t h ea e r o d y n a m i cd r a go ft h ep r o p e l l e ra r r a y , i t si n f l u e n c eo nt h ea i rf l o wf i e l di nt h ee n g i n ec o m p a r t m e n ta n dt h er a t i o n a la m o u n t o fp r o p e l l e rs e n s o r s 1 1 1 es t u d ys h o w e dt h a t ：t h ep r o p e l l e ra n e m o m e t e ri s v e r y s e n s i t i v et oo r i e n t a t i o n w h 饥t h em e a s u r i n g a n g l ei sb e t w e e n0 - 3 0 0t h em e a s u r e d v a l u ee q u a l st ot h ec o m p o n e n ti nf l o wd i r e c t i o no ff l o wv e l o c i t y s ot h em e a s u r e d v a l u ei sc l o s et ot h ee f f e c t i v ea i rf l o wt h r o u g ht h er a d i a t o r n ea e r o d y n a m i cd r a go f t h ea n e m o m e t e r sa r r a yi n c r e a s e sw i t ht h es q u a r eo fi n l e tv e l o c i t y , a n di sf a rl o w e r t h a nt h ea e r o d y n a m i cd r a go ft h er a d i a t o r t h ea n e m o m e t e ra r r a yh a sl i t t l ei n f l u e n c e o nt h ea i rf l o wd i s t r i b u t i o nw i t hu n i f o r ma i rf l o wi nf r o n to ft h er a d i a t o r n c m e a s u r i n g 豇 r o ro ft h ea n e m o m e t e r si sv e r yl o w w h e nm e a s u r i n gt h ef r o n te n da i r f l o w , t h ea n e m o m e t e r sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h ea i rf l o wr a t et h r o u g ht h ec o o l i n g p a c k a g ea n dt h ea i rf l o wd i s t r i b u t i o n t om i n i m i z et h em e a s u r i n ge r r o r , t w e n t yf o u r a n e m o m e t e r sa r cr e a s o n a b l e f i n a l i t y , c o n c l u s i o n sw e r em a d eb a s e do nt h ea n a l y s i sa n dp r o b l e m sr e q u i r i n g f u r t h e rs t u d i e sw e r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：f u e lc e l lv e h i c l e ，f r o n te n da i rf l o w , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， p r o p e l l e rt y p ea n e m o m e t e r , o r i e n t a t i o ns e n s i t i v i t y v i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 褊 一一一一- 一一 加7 年弓月2 沪 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日 细r 心日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 娜7 年 专旎 二月弘日 ， ， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景、课题来源与意义 1 1 1 研究背景 在过去的一百年里，汽车工业的发展与石油的消耗密不可分石油作为一 种不可再生能源，其储量有限。随着我国汽车工业的蓬勃发展，汽车对于石油 的消耗量持续快速增加。2 0 0 8 年我国汽车销量为9 3 8 0 5 万辆，相对于上一年增 长6 7 。与之相应的，2 0 0 8 年我国进口原油总量为1 7 8 8 9 亿吨，我国对进口原 油的依存度越来越大。长期以来，汽车保有量不断增加和石油资源紧缺的矛盾 已经成为我国汽车工业持续健康发展的一大障碍。在这种背景下，发展新能源 汽车就成为我国汽车工业的必然选择。新能源汽车包括生物柴油汽车、混合动 力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等等。与其他类型的新能源汽车相比，燃料 电池汽车由于有着燃料来源充足、低噪声、零污染等优点，有着广阔的发展前 景。 汽车热管理技术是与汽车动力系统工作可靠性和汽车乘坐舒适性相关的一 项关键技术。由于动力系统在进行化学能转化为机械能的过程中必然要放出一 定的热量，这些热量如果不及时排出，就会在动力系统内部积累，使得运动部 件发生热变形，产生热应力，影响动力系统的正常工作，甚至发生故障。同时， 由于汽车发动机舱的结构日益紧凑，在散热部件附近有很多其他的部件，特别 是一些对热比较敏感的橡胶件和塑料件，长期处在不利的热环境之下会加快这 些部件的老化，影响使用寿命。因此汽车动力系统的热管理一直以来就是国内 外的专家学者研究的热点。燃料电池汽车的动力系统构成与传统汽车有着很大 的不同，其动力系统的核心部件燃料电池、p c u ( p o w e r c o n t r o lu n i t ，动力控制 单元) 以及其他的一些电子元件等在工作过程中要散出大量的热量，这些热量 如果不能及时排出，不仅会导致工作可靠性下降，甚至可能导致燃料电池损坏。 燃料电池汽车的热管理是摆在世人面前的一个崭新课题。 对于汽车热管理的研究，主要有试验和模拟两种方法。试验主要在热环境 第1 章绪论 风洞中进行。热环境风洞是一个大型的试验平台，配备转鼓试验台、温度、速 度测量装置等，能够模拟汽车在路面行驶时的外界气候环境，包括前端来流情 况、温度情况、汽车的行驶情况等等，从而考核发动机舱散热情况，并采取措 施进行改进。在热环境风洞中的所有测量参数中，通过前端冷却模块的气流量 是一个非常重要的指标，这是因为它的大小与冷却模块的散热量直接相关。汽 车冷却模块区域空间狭小，传感器的工作条件恶劣，对传感器的几何尺寸、搭 载性能以及工作可靠性要求较高。在综合考虑搭载性能和测量可靠性的情况下， 目前在汽车热管理试验中应用最多的是叶轮式风速计n 1 。 计算流体力学( 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 ) 方法是试验之外另外 一种对汽车发动机舱热管理进行研究的方法，它基于流体力学的基本理论，采 用计算机数值模拟的方法，真实地再现流动、传热以及燃烧等一些流体相关的 现象。相对于试验方法而言，c f d 方法有着成本低、效率高、能够在样车试制 之前进行预开发等优点，受到各大汽车公司的青睐，广泛应用于汽车前端进气、 气动噪声模拟、汽车阻力和升力分析、发动机舱热分布模拟、汽车空调与发动 机冷却系统仿真心1 、发动机进、排气以及缸内喷雾及燃烧模拟等各个方面口1 。 1 1 2 课题来源与意义 本课题来源于上海地面交通工具风洞中心燃料电池汽车发动机舱热管理科 研分项，为某燃料电池汽车的发动机舱热管理提供解决方案，并探索燃料电池 汽车的发动舱热管理基本思路和方法，为燃料电池汽车前端模块开发和发动机 舱总布置方案提供建议和参考。同时也开展了对汽车前端进气测量设备叶轮式 风速计的应用研究，为前端进气的测量提供解决方案。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 燃料电池动力系统的研究和开发 国外对于燃料电池汽车的研究很早就已经开始了。通用、丰田、本田、奔 驰等知名汽车公司都推出了使用燃料电池动力系统的概念车h 1 。丰田公司早在 1 9 9 2 年就丌始了燃料电池动力系统的开发和研究工作，并以租赁的方式将燃料 电池汽车推向市场嵋1 。各国政府也纷纷出台政策予以支持。美国丌展了f r e e d o m 2 第1 章绪论 c a r 计划对燃料电池汽车的研究进行支持哺1 。政府每年花费9 0 0 0 万美元用于燃 料电池的研发。2 0 0 2 年1 月，美国总统布什明确表示，要把燃料电池汽车作为 美国清洁汽车研发新的正式目标。2 0 0 2 年8 月，本田f c x 已成为全球首辆获得 政府认证的燃料电池车。2 0 0 2 年1 2 月2 日，日本首相小泉纯一郎也通过试乘 的方式对燃料电池动力汽车表示支持。目前，在芝加哥、温哥华和其他北美城 市已有以氢和电池为动力的城市公共车队和燃氢的运输货车盯1 。 众多的专家学者也围绕燃料电池汽车所涉及到的各类技术问题进行专题研 究。r i c a r d o 工程咨询公司的n e v i l l esj a c k s o n 等人对燃料电池汽车各个子系统的 建模方法作了介绍，为动力控制系统、压缩空气的进气系统、热管理系统和控 制策略等的设计和开发提供指导暗1 。文献 9 对采用四种燃料电池动力系统的大 巴进行对比，经过分析后指出：采用容量较小的燃料电池有利于降低经营和维 护成本。在某种情况下，燃料电池汽车全生命周期的成本较传统柴油机车要小。 m i c h i g a n d e a r b o r n 大学的k e s h a vs v a r d e 等人n 们运用动力系统仿真工具p s a t ( p o w e r t r a i ns i m u l a t i o na n a l y s i st o o l k i t ) 对采用镍氢电池、锂离子电池以及超级 电容三种不同储能装置的动力系统进行仿真研究，结果表明采用蓄电池和超级 电容的储能系统的汽车动力性与采用内燃机达到的性能相当，从而为燃料电池 汽车动力系统的设计提供建议。 国内也认识到了燃料电池汽车开发的紧迫性和必要性。科技部部长万钢谈 到包括燃料电池汽车在内的新能源汽车的发展时设定了目标：“希望经过4 至1 j 5 年 的努力，至u 2 0 1 2 年每年汽车产量的1 0 一至少有1 0 0 万辆是新能源汽车”。政府 的支持是燃料电池汽车发展的有力保障。在国家8 6 3 清洁能源汽车重大专项的资 助下，国内的众多科研院所对燃料电池汽车的设计开发进行了研究。武汉理工 大学的胡骅、宋慧等人对于国内外的燃料电池汽车的基本工作原理进行了说明， 并对国内外的发展现状进行了概述，同时也分析了燃料电池汽车进一步发展所 面临的机遇和挑战叫。清华大学的卢兰光等人对燃料电池汽车的开发流程和设 计方法进行了探讨n 刳。文献 1 3 对燃料电池汽车的几大关键技术作了概述，其 中包括燃料电池技术、驱动电机技术、车身和底盘设计技术、电子控制技术、 测试技术以及整车系统优化技术等方面。同济大学的徐乔通过将燃料电池汽车 与传统内燃机汽车进行对比，介绍了燃料电池汽车的底盘布置、热量管理、电子 控制等方面的技术，并对燃料电池汽车的发展趋势做了预测n 制。武汉理工大学 的谢长君等人提出多能源燃料电池加镍氢电池及超级电容燃料电池电动汽车混 第1 章绪论 合动力系统的方案，并设计了动力系统结构n5 1 。武汉理工大学唐永华、颜伏伍等 人对燃料电池发动机测试系统的软硬件设计、试验方法和测试规范进行了研究。 对燃料电池汽车测试系统进行了设计和分析，并对燃料电池发动机的工作流程 和试验规范进行了制定u 引。 1 2 2 传统汽车发动机舱内流动与换热研究 在国外，大量的专家学者对汽车发动机舱内的流动和传热问题进行了研究， 主要采用了试验和三维c f d 数值模拟的方法。试验方面：通用汽车公司的p a t r i c k h o o v e r u 刀在实验室中对发动机舱内流动进行试验，试验中考虑了集成在一起的 发动机机体、冷凝器、散热器和风扇密封板等影响，分析了冷却风扇与发动机 舱流动之间的匹配性能，并对散热器加热和不加热两种情况下通过散热器的气 流量研究。n g ys r u n a p 等人利用风洞试验和理论计算的方法研究了风扇的尺寸、 风扇罩情况以及风扇是否工作对于冷却模块散热性能的影响n 引，同时也对散热 器形状、冷凝器形状、电子风扇、风扇罩以及格栅等对空调冷凝器的进风量和 散热情况的影响进行了研究，并给出了关于格栅开口面积和风扇罩的使用等的 建议n 引。r m i t 的e t o n yn g 瞳们采用高阻塞比的热环境风洞对发动机舱的流动和散 热情况进行研究，并将风洞试验结果与道路试验结果进行对比分析，发现风洞 试验和道路试验的数据吻合良好，可以依据风洞试验数据对前端进行结构和布 置优化。 由于昂贵的试验费用和较长的试验准备周期，自上世纪九十年代以来，越 来越多的专家学者采用三维c f d 数值模拟的方法来对问题进行研究。福特汽车公 司的e d i n i l s o na l v e sc o s t a 心介绍了采用三维c f d 软件u h 3 d 对发动机舱内的流 动和换热情况进行研究的基本方法，通过c f d 数值模拟，为试验参数范围的确定、 传感器布置以及测点的选择提供指导。b e h r 公司的b e r n h a r du h l 乜列通过在试验台 和实车上进行试验对前端模块的进气情况进行了研究，发现散热器出口处的速 度分布情况主要受风扇罩和风扇轮毂的影响。同时也对前端模块进行了三维c f d 数值模拟，其结果较好地描述了冷却模块的速度分布的情况。同时，也指出从 增加数值模拟的精度的角度，对于风扇的模拟还有待进一步改进。t h 6 r m a n n 旧1 等人对冷却模块进行了三维c f d 数值模拟，并利用一个特制的试验台对模拟的结 果进行了验证，结果表明散热部件的压降和速度分布情况与试验的结果吻合良 好，c f d 方法应用于散热模块的模拟具有一定的可信度。o p t i m a lc a e 公司的 4 第1 章绪论 r a m e s h a n d r a 和美国s g i 公司的e v a n g e l o sh y t o p o u l o s 和k u r i c h ik u r n a r 心钔等人，对 汽车发动机舱的部件结构进行简化，讨论了对于发动机舱内流场计算的网格独 立性问题。福特汽车公司w e id i n g ，j a c kw i l l i a m s ，d i n a k a l - ak a r a n t h 和f l u e n t 公s a n d e e ps o v a n i 乜研针对不同的进风口、冲击气流、换热量、离地高度等等情 况，运用f l u e n t 软件进行了舱内的流场和温度场模拟，探讨了对前舱流场和温 度场进行数值模拟的c f d 方法。通用汽车的z h i g a n gy a n g 啪刎等，基于计算流体 力学和数值传热学理论，采用耦合和分离两种求解方式，对发动机舱内热态数 值模拟的温度、速度耦合问题进行了模拟，分析了浮力效应对于求解温度场和 速度场的影响；同时，针对汽车怠速工况，阐述c r f m 模块在此情况下产生的冷 却效果，对发动机舱内的流场和温度场进行了描述和分析，并提出了优化的方 案。 随着中国汽车工业的发展和研发水平的不断提高，国内的众多高校和企业 也对汽车发动机舱热管理问题进行了研究。同济大学的王东、何炜等采用c f d 方法对某传统汽车的前端进气进行研究，考察了风扇转向、格栅面积等因素对 散热器进风量的影响，同时，采用m r f 方法和滑移网格法对风扇进行处理，发 现两种方法对于汽车前端进气的计算来说能够满足计算精度的要求。上海交通 大学赵新吲2 9 1 ，用可视化的方法研究了发动机舱内温度在不同工况下的变化规 律，使其更加直观的显现，有利于找出问题的关键所在。华中科技大学蒋光福啪3 、 魏莉薇【3 l 】针对中冷器、散热器等部件，运用f l u e n t 和k u l i 软件，对发动机 舱内的散热特性进行了研究。结合确定工况下的舱内的冷却需求，以冷却效率 等为目标参数进行了模拟，并得到较好的效果。哈飞汽车的李玉平口引主要利用 整车热环境模拟试验的手段，对前格栅及保险杠、电子风扇和散热器等部件进 行了改进设计，成功解决了h f 5 轿车在高温高湿条件下发动机水温过高的问题， 提供一套通过试验方法来解决发动机散热问题的思路和方法。浙江大学的张毅瞄3 3 采用试验和数值研究相结合的方法研究了散热器的间距和散热器热侧介质进出 口位置匹配对散热器模块性能的影响。研究结果表明，散热器间距对于各排散 热器的影响效果不同。合理布置热介质的进出口位置有利于提高散热器模块总 的散热性能。 1 2 3 燃料电池汽车热管理的研究现状 国外方面，众多专家学者对燃料电池汽车热管理系统开展了研究工作。v a l e o 第1 章绪论 公司的n g ys r u na p 对风扇和风扇罩对燃料电池车冷却系统的影响进行了研究 1 。n g u y e nt v 等人建立了燃料电池水热管理模型b 引。通用汽车公司的m a t t h e wh f r o n k 等人对燃料电池热管理系统和燃料电池电堆特性作了研究呻1 。m a g n a 的 j h a g e r 等人采用k u l i 对燃料电池车的热管理系统进行建模和仿真研究，探索了 对燃料电池车热管理系统进行研究的一套方法b 7 1 。文献汹1 对采用某种微型冷却 器的燃料电池进行了研究，发现对热管理效果影响明显。 在国内，众多企业和高校也对燃料电池汽车的热管理技术进行了大量研究。 上汽技术中心的李正秋等人以燃料电池散热量为主要评价标准，对燃料电池汽 车冷却模块的四种布置方案进行了对比，并进行了布置方案的优选油1 。同济大 学的许思传等人从试验方面对燃料电池汽车的散热展开研究，通过对某燃料电 池汽车在转鼓试验台上进行试验，对其散热器布置结构进行考核和评价，同时 对风扇功率和散热器迎风面积提出改进建议m 儿4 1 1 。 北京工业大学的律翠萍等人对质子交换膜燃料电池膜中水的迁移机理及影 响水平衡的主要因素进行了分析，对质子交换膜燃料电池的温度分布、局部换热 系数及散热等燃料电池热管理相关问题进行了研究h 副。 清华大学的张扬军课题组对燃料电池汽车动力系统热管理的研究内容作了 介绍，指出燃料电池汽车热管理主要包括关键部件热特性、热管理系统设计和 集成优化、车用环境分析与控制、热管理专项技术4 个方面，并分别对它们的研 究特点与难点、研究方法和进展等进行了阐述h3 。并进一步采用c f d 方法对燃料 电池客车热管理系统空气侧流速分布、温度分布等流场结构对热管理系统性能 的影响机理进行了研究，并对热管理系统与燃料电池客车集成进行了优化设计 h 钔。同时，他们也采用物理模拟和仿真模拟相结合的方法，进行了汽车热管理 系统半物理仿真试验平台的设计、试制及分析研究h 5 1 。 清华大学的付正阳等人对电池最优工作温度范围的确定、热物性参数的获 取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计等电池组热管理系统 设计过程中的关键技术，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程，并对热管 理系统的设计提出了建议m 1 。陈潇等人对于燃料电池热管理系统进行建模，并 采用该模型对某车用燃料电池热管理系统进行了分析，并依据分析结果得出结 论：应主要通过调节冷却风扇转速来调整电池堆温度，通过调节冷却水泵来保持 电池堆进出口水温温差，散热器并联要优于散热器串联h 引。 武汉理工大学的颜伏伍等人根据质子交换膜燃料电池工作原理，对车载燃 6 第1 章绪论 料电池系统进行了较详细的计算与分析。他们依据某款燃料电池发动机的设计 参数，对氢气的消耗量、空气的消耗量、氢气的加湿量、产生的热量、所需的 循环水等进行了精确计算h 引，并依据计算的结果设计出了一套有效的燃料电池 发动机水热管理系统方案m ，。 1 2 4 前端进气的测量方法 汽车前端进气量是热管理研究的重要参数，众多专家学者对它的测量装置 和测量方法作了研究和探讨。测量装置包括热线风速仪、毕托管、激光多普勒 测量仪以及叶轮式风速计等。其中，激光多普勒法在发动机舱内流场测量中得 到了应用呻1 。而叶轮式风速计则广泛应用于前端进气的测量n 1 。该风速计利用叶 轮的转速与来流风速成一次函数关系，通过测量叶轮转速，从而确定来流风速 的大小。相对于其他形式的风速计，叶轮式风速计在搭载性能、耐久性以及方 向敏感性等方面均具有一定的优势【5 l 】。通用汽车欧洲公司的h e l m u tb e r n e b u r g 哑1 介绍了在汽车开发过程中采用叶轮式风速计对散热器入口气流量和入口速度分 布进行测量的技术，通过对三代“t e s tr a d i a t o r ”的介绍，全面介绍了叶轮式风 速计应用于散热器入口其流量和速度分布的情况。v a l e oe n g i n ec o o l i n g 的n g y s r u na p 嵋3 1 对采用了5 个直径仅为10 m m 的叶轮式风速计对散热器入口处速度分 布进行了测量。在测量过程中，风速计排成一列，通过小型电机拖动移动风速 计的位置来测量散热器不同区域的风速。 五十铃公司的小熊卓睛等人对叶轮式风速计的使用性能作了一些介绍，其 中特别提到该类风速计的方向敏感性问题。他们通过风洞试验发现叶轮式风速 计的方向敏感性规律，并且通过将叶轮式风速计的测量结果与热线风速仪的测 量结果以及通过热量转换计算得到的有效冷却气流量进行对比，发现叶轮式风 速计的测量结果与实际冷却气流量更加接近。花同雄二【5 4 】等人通过在冷却模块 开发中对叶轮式风速计的应用，发现在汽车开发过程中对叶轮式风速计合理使 用可以有效缩短汽车开发周期。 1 2 5 文献小结 众多的学者围绕燃料电池汽车的开发、汽车前舱热管理、燃料电池汽车的 热管理以及汽车前端进气的相关试验技术等开展了大量的研究工作。燃料电池 汽车的热管理是燃料电池汽车开发的关键技术之一，热管理的研究是当前燃料 电池汽车开发和研究中的热点问题。燃料电池汽车前舱的布置情况对燃料电池 7 第l 章绪论 的热管理水平有重要影响，对前舱和散热模块结构进行优化是改善散热性能的 重要手段。c f d 方法具有成本低、效率高的优点，目前已经广泛应用于传统汽 车的前舱结构优化分析上，其可靠性已经得到了验证。叶轮式风速计是对前端 进气进行测量的常用试验仪器，在前舱结构优化以及对数值模拟结果的验证中 起着非常重要的作用。 同时，在燃料电池汽车动力系统热管理以及叶轮式风速计的在前端进气测 量的研究方面，以往的工作也存在一定的不足。在燃料电池汽车热管理方面， 众多学者基于系统层面对热管理系统进行仿真，对各部件功能性参数进行优化， 而针对前舱布局调整以增大前端进气量、改善前舱三维流场情况的研究不多。 在前端进气的测量方面，众多文献仅对试验方法和叶轮布置方式等方面进行了 概括性介绍，而对于叶轮自身的气动特性以及叶轮进行测量时的误差评估方面 进行的研究还很少。 综上所述，针对燃料电池前舱热管理和叶轮式风速计在汽车前端进气测量 中的应用问题，前人在相关的研究方面打下了坚实的基础，也遗留了一些待解 决的问题。 1 3 研究内容 本文基于f l u e n t 软件和风室试验台、1 ：1 5 汽车模型风洞等工具进行了燃料 电池汽车前端进气和叶轮式风速计的气动特性的研究。主要内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 应用c f d 数值模拟方法，对燃料电池汽车发动机舱内的流场特性进行 研究。考察了气流从格栅进入发动机舱而后又从发动机舱底部流出时的速度和 压力变化情况，对发动机舱内的冷却环境进行了全面的分析。 ( 2 ) 利用c f d 方法对风扇转向、转速、风扇罩、格栅形状、冷却模块布置 等因素对燃料电池汽车前端进气的影响进行考核，通过对不同方案的前端进气 量、进气不均匀度等参数进行比较，对各个因素影响大小进行评价。 ( 3 ) 利用风洞试验和c f d 方法对叶轮式风速计的方向敏感性进行研究。通 过大量试验得到叶轮式风速计的测量值随着来流风速、测量角度的变化关系， 同时利用c f d 数值模拟的方法，来对方向敏感性规律以及叶轮附近的流场进行 研究。 第1 章绪论 ( 4 ) 利用风室试验台和c f d 方法对叶轮式风速计阵列的阻力特性进行试验 和数值研究，考察阻力特性随着叶轮个数的变化规律。对由于叶轮安装导致的 压力损失大小进行评估，并通过数值模拟方法考察安装叶轮之后对散热器入口 速度分布情况的影响。 ( 5 ) 完成叶轮式风速计在整车模型上的虚拟安装，通过c f d 方法对不同车 速下装有不同个数的风速计的汽车发动机舱进行c f d 计算，考察了叶轮式风速 计对发动机舱流场的影响，并对叶轮式风速计引入的系统误差进行评估。依据 c f d 数值模拟的结果，从测量误差的角度，对叶轮式风速计的使用数量提出建 议。 9 第2 章燃料电池汽乍、计算方法及试验殴器简介 第2 章燃料电池汽车、计算方法及相关试验设备介绍 2 1 燃料电池汽车简介 燃料电池汽车采用了新的动力系统，与传统汽车在动力系统工作原理、前 舱结构、冷却系统布置各方面都存在很大的区别，本节将以某款燃料电池轿车 为例，对这几方面逐一进行介绍。 2 i 1 燃料电池汽车前舱结构 由于动力系统与传统内燃机汽车不同，因此燃料电池汽车在前舱布置上与 传统汽车有着较大的区别。如图2 】所示，燃料电池汽车前舱不仅有冷却水箱、 蓄电池、v m s 、e c u 、空调压缩机、转向器等与传统汽车相同的部件，也包含 电机、p c u 、空气压缩机、加湿器等传统汽车没有的部件。此外，变速器、冷却 模块等部件和总成虽然两类汽车都有，但是燃料电池汽车上的变速器和冷却模 块与传统汽车有着很大的区别。 跚2 l 燃料电池前舱主要部件 p c u ( p o w e r c o n t r o l u n i t ，动力控制单元) 是一个对燃料电池的功率输出进 行控制的单元，其中布置了用以转换电压的变压器以及将直流电变为交流电的 逆变器，这些电子元件部是敝热部件，冈此需要个p c u 敞热器束刘奠进行散 第2 章燃料电池汽1 、计算打法及试验设备简介 热1 “啡1 。 驱动电机是燃料电池动力系统的x 一核心部件。出于增加续驶里程和汽车 轻量化的需要，要求电机有较高的效率和功率重量比。当前驱动电机主要有感 应电动机( i m ) 和永磁无刷电动机( p m b l m ) ，特别是永磁无刷电动机具有较高的 功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔地 应用前景。在设计和选择驱动电机时应保证电机的转矩，转速特性与整车负载特 性匹配照好，电机转矩的动态性能好，以及恒速、恒功率和变工况都应当有较高 的效率“”。驱动电机正朝着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。 2 1 2 燃料电池汽车冷却模块的布置方式 拎凝器2 散热器 3 冲却风扇 ( a ) 传统汽乍冷却模块结构 1 燃料电池敞热器 2 空调主冷凝器 3p c u 散热器 4 “侧风扇 5 风扇审6 左侧风扁7 空调辅玲凝器8 辅冷凝器风扇 ( b ) 燃料电池汽下冷却模块结构 h2 2 拎目l 模块结构示意幽 斟 _ 第2 章燃料电池汽车、计算方法及试验设备简介 在传统汽车的前端结构当中，冷凝器安装在最前端，散热器紧随其后，最 后是冷却风扇，如图2 2 ( a ) 所示。这种布置方式，在传统汽车上已经得到了广 泛应用，对于发动机舱内部结构设计合理的汽车，能够满足发动机散热和空调 制冷的效果。 燃料电池汽车的冷却模块由燃料电池散热器、空调主冷凝器、空调辅冷凝 器、p c u 散热器以及大冷却双风扇和辅冷凝器风扇几部分组成，如图2 2 ( b ) 所 示。 燃料电池散热器承担着为燃料电池散热的任务燃料电池产生的不可逆热 的比例可以占到其转化的总化学能的5 0 ，这些热量主要通过电堆排出的尾气、 电堆的热辐射以及冷却水三种方式排出口1 。这三部分的比例分别为3 0 0 , 5 畸刀、1 和9 5 ，通过散热器排出的热量大，而且由于燃料电池的工作温度约为6 5 c 左右 h 9 1 ，冷却液的温度约为6 5 c ，与外部环境温差较小，从而导致其散热条件极为 不好。相对于传统汽车来说，燃料电池动力系统的冷却系统有着散热量大、冷 却液温度低的特点，因此燃料电池的散热是燃料电池汽车开发中的难题。需要 将燃料电池散热器布置在冷却模块的最前端，来保证燃料电池的正常工作。 空调冷凝器布置在燃料电池散热器后部，p c u 散热器的正上方。气流穿过 燃料电池散热器后温度会有所上升，而且由于其下方布置了p c u 散热器，相对 于传统内燃机汽车，空调冷凝器的工作环境变差，散热面积减小，但是从整车 舒适性的角度对空调系统的