基于辐射和散热的发动机舱建模

基于辐射和散热的发动机舱建模

汽车发动机舱研究汽车舱是一个半封闭空间。它由冷却系统、电机和气气气候系统、传动装置、空调和缝纫机等组成。结构配置非常紧凑。随着对汽车动力性、排放性能、经济性以及可靠性等方面要求的日益提高,汽车的发动机舱内元件变得越来越模块化,布置也越来越紧凑,这给发动机舱散热带来了更大的挑战,使汽车的散热问题成为国内外研究者关注的焦点之一。汽车发动机舱散热效率直接影响汽车的动力性和燃油经济性,发动机舱内温度过高时,使得汽车的动力性和燃油经济性大大降低,若发动机舱温度太高,还可能造成发动机舱的自燃。在新车开发过程中,研究发动机舱的散热是一项重要的工作。传统的实验测试要在原型车制造出来才能实施,开发周期长,成本高,所以在车身设计和发动机舱总布置过程中,进行发动机舱的散热情况分析,找出最恶劣的工况下,发动机舱温度最高的位置和影响因素,为车身定型和发动机舱总布置提供有力的依据,避免在汽车开发的最后阶段进行过大的改动。因此,在新车型开发的过程中,可考虑采用CFD数值仿真的方法,进行发动机舱散热研究。国外在这方面的研究已经取得了一定的成果,主要是仿真和实验相结合,为汽车研发过程中的发动机舱散热特性研究提供最有效的途径。国内在这方面也进行了相关的研究,有对发动机舱内部件的独立研究,如对散热器组的研究;也有对汽车发动机舱散热的研究,得到发动机舱的空气流场和温度分布。作者研究的CAD模型保留了发动机舱内主要的元件和特征细节,并考虑了热边界层和空气对流传热,提高了计算结果的准确度。在设定的两种工况边界条件下,数值模拟了汽车发动机舱内的速度场和温度场,分析研究了发动机舱的散热情况,找出舱内冷却空气温度最高的位置和造成这一结果的主要原因,最后提出优化方案。1数学模型1.1发动机电控系统仿真模型汽车在道路上行驶,进入发动机舱的空气大部分来自汽车前脸的上下进气格栅,所以选择这两部分为计算的进口。而舱内的空气主要从汽车后方流出,为计算的出口。数值模拟的模型只选取发动机舱的内部流场作为计算域,车身的其他部分简化或省略,如图1所示。这在保证工程精度的要求下,节约了计算时间。发动机舱内的元件非常复杂,如果要全部真实地模拟,在网格划分和计算过程中要求很多的人力物力和工作时间,这不符合工程的经济要求。所以在达到工程精度要求的情况下,可适当忽略小细节,如发动机表面的小凸台或小倒角,舱内的一些小元件(如很细的电线),或做相应的模型简化处理,如图2所示。1.2内压空气的密度汽车发动机舱内流场的空气运动速度比较小,空气的密度变化不大,可近似为常数,因此舱内空气可看作为三维不可压缩流场,由于舱内模型复杂,容易引起分离,所以应按湍流处理。各基本控制方程表示如下。(1)连续方程divv¯=0(1)divv¯=0(1)(2)p九+传统是否实现了“vi-规”的高度div(ρv¯vi−μeffgradvi)=∂p∂xi+divdiv(ρv¯vi-μeffgradvi)=∂p∂xi+div(μeff∂v¯∂xi)(2)(μeff∂v¯∂xi)(2)(3)navier-st对雷达模型的改进∂(ρT)∂T+div∂(ρΤ)∂Τ+div(ρv¯T)=div(ρv¯Τ)=div(KCpgradT)+ST(3)(ΚCpgradΤ)+SΤ(3)式中v¯v¯为平均速度,vi为平均速度分量,xi为坐标分量,T为温度,K为流体的传热系数,Cp为比热容,ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分。通常在对内流场模拟的时候应用较多的是RNGk-ε湍流模型。在这种模型中,通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响,将小尺度运动从控制方程中移除。在对Navier-Stokes方程进行雷诺时均化处理时,引进了新的变量项u′iu′j¯¯¯¯¯¯¯¯u′iu′j¯(雷诺应力项)。为使方程组封闭,必须对雷诺应力做出某种假定,在大量的实验基础上推导出雷诺应力方程如下。(4)方程1的流量动能kdiv(ρv¯κ−Γkeffgradk)=G−ρε(4)div(ρv¯κ-Γkeffgradk)=G-ρε(4)(5)湍流动能有效黏度及有效黏结系数div(ρv¯ε−Γεeffgradε)=εk(C1G−C2ρε)(5)div(ρv¯ε-Γεeffgradε)=εk(C1G-C2ρε)(5)式中k为湍流动能,ε为湍流动能耗散率,μeff为湍流有效黏性系数,ρ为空气密度(常温,1.16kg/m3),Γkeff表示湍动能有效扩散系数,Γεeff表示湍动能黏性耗散率有效扩散系数。2结构热边界条件为了正确模拟复杂流场,在一定网格点的条件下,流动参数变化梯度较大的区域,须安排较多网格点。在发动机和散热器等元件的周围网格加密,由于热边界的存在,要拉伸附面层,用以提高边界层的计算精度。图3为发动机舱主要元件的网格划分。计算中采用了3种流动边界条件(velocity-inlet;pressure-outlet;wall)、3种换热边界条件(heat-flux;temperature;convection)、多孔介质边界条件、体积源项边界条件和风扇模型边界条件。汽车的进口边界条件设定为velocity-inlet,设定工况为车以某一速度向前匀速运动,进风温度和环境温度相同,进口的湍流方式使用经验数值(湍流强度为5,黏性比为2%)。计算中假定其他位置不出风,仅在计算模型的末端留一个出口面,设定为pressure-outlet。热边界条件的处理分材料的选取以及热边界的类型两个部分,根据实际情况,设定发动机舱内元件的材料和边界条件。板翅式换热器等复杂结构体积的简化模型以多孔介质模型来代替。多孔介质的设置要根据实验得到的冷凝器、油冷、水箱的阻力曲线获取。冷凝器和水箱以及油冷当作热源处理,赋予相应的体积热源。采用风扇模型,指定通过风扇前后的压力变化与通过风扇的速度之间的函数关系,进行简化计算。2.1配比的确定和假设在简单、均匀的多孔介质上,多孔介质的Darcy定律可以使用下面的数学模型Si=−(μαvi+C212ρv2)(7)Si=-(μαvi+C212ρv2)(7)式中α为多孔介质的渗透性,C2为惯性阻力因子,其中,黏性系数μ=1.7894×10-5。在已知多孔介质上的速度与压强损失的试验数据(表1)时,可以通过插值求出多孔介质上的系数。由表1可以拟合出Δp-v曲线,强迫截距为0,得到的函数关系为:Δp=-(93.583v2+368.76v)(8)式(8)方程等价于式(7),形式上是速度v的多项式,对比两个方程可知:12C2ρ=93.583(9)12C2ρ=93.583(9)μα=368.76(10)μα=368.76(10)在ρ=1.225kg/m3时,惯性阻力因子C2=152.789;在μ=1.7894×10-5时,可知1/α=2.06×107。2.2冷凝器的数据模拟当将风扇用一个无限薄的片体代替时,就可以用风扇边界条件直接仿真。冷却空气通过风扇时存在压强损失现象,在此可用压强损失系数表示。再设定通过风扇后空气的轴向和切向的速度,模拟出冷却空气通过风扇后的漩涡。风扇的压强损失与迎面风速的关系如表2所示。该风扇的扇叶外径为120mm,内径为40mm。由表2的数据拟合出风扇的迎面风速与压强损失之间的函数关系为3截面的温度分布在分析发动机舱散热情况时,选取了发动机处于最恶劣的工作环境下的两种工况。工况1:汽车行驶在发动机最大转矩点,环境温度为36℃,车速为60km/h。工况2:汽车行驶在发动机额定功率点,环境温度为36℃;车速为110km/h。在工况1的边界条件下,发动机舱内冷却空气的最高速度发生在冷却风扇的后方,为42m/s。舱内冷却空气的最高温度在三效催化转化器的附近,局部温度达到310℃。元件表面最高温度是排气歧管和三效催化转化器的表面,为590℃左右。图4和图5的Y=0.25截面(截面位置如图2所示)穿过了散热器组、风扇、排气歧管、发动机、隔热罩表面以及进气歧管。在图4的左方,从进气格栅进入的空气掠过散热器组后被加热,温度介于83～112℃之间,但到了排气管附近时,温度为302℃,因为排气管散热量很大,一般发动机舱的最高温度会出现在这里。隔热罩使得高温气体没有到达车表面,有一定的保护作用。从图5的速度场分布中可以看到,空气经过散热器时速度降低,经过风扇后速度增高,该截面上的最大速度值在风扇后方。空气到达发动机和排气管的速度大约是25m/s,隔热罩的导流作用使得发动机顶部空气流速相对较高。此外,截面上的速度大约在10m/s以下,由于底部有进风口,使得通过油底壳下方的流动速度大约有15m/s,此处的温度分布也基本达到设计要求。图6和图7为X=-0.2截面(截面位置如图2所示)的温度图和矢量流线图。X截面主要经过排气管和空气滤清器。截面的高温气体主要分布在排气管周围,因为发动机罩的作用,高温气体相对比较集中。由于该部分的元件用耐高温材料制造,所以该位置局部的空气高温是设计所容许的。舱内的左右温度分布不同,右边的温度比左边的温度高。特别在电池的右侧有高温区存在,这对电池的使用性能和寿命有一定的影响。从图7的矢量流线图可以看出,左边的空气流速较大,流动比较顺畅;而右边流速较低,还有很明显的漩涡存在。电池的右侧也有漩涡存在,漩涡的存在是截面局部高温的主要原因。图8和图9是Z=0.2截面(截面位置如图2所示)的温度图和矢量流线图,经过左右风扇的风速和空气的温度基本相同,但之后左侧的空气流向发动机和排气歧管,在排气歧管附近风速减低,由于排气歧管形状复杂,造成小漩涡的产生,空气的低速和循环加热使得附近的气体相对高温。舱内最左边也有漩涡的存在,但因为进入的气体本身温度不是很高,所以滞留的气体温度不高。右侧气流因为受到电池和空气滤清器的阻挡,在电池、空气滤清器和发动机之间形成了漩涡,空气循环加热,温度升高。在工况2设定的边界条件下,由于车速较高,发动机舱内冷却空气最高速度达到49m/s,主要分布在冷却风扇的后方,舱内冷却空气的最高温度还是在三效催化转化器的附近,局部温度达300℃。部件表面最高温度在排气歧管和三效催化转化器的表面,为580℃左右。由于工况2的XYZ截面的温度和速度分布和工况1的大致相同,在此只给出Y=0.05截面的温度云图和速度云图(图10、图11)。图12是工况1的发动机舱内元件的表面温度分布,可以看出高温表面主要在排气歧管和三效催化转化器,为590℃左右。三效催化转化器的迎风面的温度比另一面的温度相对较低,表面最高温度一般都在冷却风不能直接到达的小转角位置。发动机表面的温度分布比较平均,油底壳的温度大约为130℃。在发动机的隔热罩附近,其表面温度为312℃,而实验测量的结果(某汽车公司提供的数据文件)为328℃,二者之间的相对误差为5.13%,由此可见在此处的CFD计算的温度场基本达到工程的精度要求。由图13的舱内空间矢量图可以看出,从进气格栅进入的空气,经过风扇加速,撞击到蓄电池和排气歧管,由于不能平缓过渡,该位置的速度矢量方向凌乱。油底壳的底部风量充足,主要是底面的进风口带来了足够的冷却空气。但油底壳的周围风量太小,风速不高,原因是底面进来的空气不能直接到达油底壳表面。4不同工况下发动机舱的结果分析(1)利用CFD软件成功完成了汽车发动机舱散热的模拟。得到发动机舱的温度场和速度场,能量化地判断出发动机舱内的最高温度的位置,为车身造型和总布置提供有用的参考。(2)边界条件,如散热器的压降和散热量,风扇的压降和速度函数,发动机表面的热通量等的设置,对计算结果会有比较大的影响。因此必须具体情况,具体分析。(3)排气管和三效催化转化器的散热量很大,对它附近的元件造成影响。为排气管和三效催化转化器加上隔热罩,让它的热量向某个特定的方向散出,虽然局部的温度会上升,但可以起到保护其他不能承受高温的元件的作用。(4)由于空气滤清器的周围有漩涡存在,空气的循环加热使温度过高,会降低发动机进气效率,并对旁边的电池和保险箱等塑料元件造成威胁。因为空气滤清器和电池等是低散