基于sm+的后置客車?yán)鋮s模塊仿真研究

基于sm+的后置客車?yán)鋮s模塊仿真研究

1發(fā)動(dòng)機(jī)供熱系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)節(jié)能、環(huán)保和環(huán)境保護(hù)的要求的不斷提高，越來越多的公交車都采用了后門的配置形式。此種形式使動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)更加緊湊,可有效降低整車裝備質(zhì)量并提高車輛機(jī)動(dòng)性。但與此同時(shí),客車發(fā)動(dòng)機(jī)后置也帶來許多問題,其中最顯著的是發(fā)動(dòng)機(jī)后置使得艙體散熱條件變差,冷卻效率下降,進(jìn)而容易引起過熱現(xiàn)象,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。為此,需要利用整車和發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù),從整體角度出發(fā),對(duì)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行換熱的各子系統(tǒng)進(jìn)行全面考慮,通過綜合研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)傳熱以及能量轉(zhuǎn)換等過程,使各子系統(tǒng)內(nèi)零部件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能。對(duì)于熱管理系統(tǒng)的研究,從模塊角度,JohnWalter認(rèn)為當(dāng)換熱器和風(fēng)扇組成冷卻模塊之后,冷卻模塊的風(fēng)阻不應(yīng)是簡單的將原有換熱器風(fēng)阻進(jìn)行疊加;從系統(tǒng)角度,國外首先提出了可控冷卻系統(tǒng)概念,使用電控水泵、可控制閥代替機(jī)械水泵和節(jié)溫器,可以使油耗下降5%,HC排放下降20%;從發(fā)動(dòng)機(jī)艙角度,C.R.Siqueira對(duì)某款客車的后置發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行模擬分析,重點(diǎn)關(guān)注艙內(nèi)回流區(qū)域,為改善艙內(nèi)結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)意義。本文基于Star-CCM+建立三維整車及后置發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場模型,并在此基礎(chǔ)上研究格柵開口角度及格柵結(jié)構(gòu)型式對(duì)冷卻模塊性能的影響。2理論基礎(chǔ)2.1車輛流動(dòng)模擬仿真Star-CCM+的多面體網(wǎng)格能在保證計(jì)算精度的條件下,使整車和發(fā)動(dòng)機(jī)艙等大空間、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物理模型的網(wǎng)格數(shù)量更少、收斂速度更快。車輛行駛速度一般遠(yuǎn)低于聲速,馬赫數(shù)較小,其流動(dòng)模擬可以看作是三維不可壓縮流場。因此,選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,利用Star-CCM+的多面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算流體域進(jìn)行漸變網(wǎng)格大小多層次的劃分,既能保證計(jì)算結(jié)果精度,又能使計(jì)算速度更快。2.2多孔介質(zhì)模型為了增大換熱面積,換熱器的換熱帶一般是凹凸結(jié)構(gòu),并且在換熱器的表面形成許多孔形結(jié)構(gòu),以使冷卻空氣能夠流經(jīng)換熱器,完成熱量的交換。在CFD模擬過程中,完全按照換熱器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)非常困難。因此,多采用多孔介質(zhì)模型來簡化實(shí)際換熱器模型,其數(shù)學(xué)模型如公式(1)和公式(2)所示。式中,v=εu為表觀速度,其中u為物理速度,ε為多孔介質(zhì)的孔隙率;k為滲透率;μ為動(dòng)力粘度;p為壓力。式中,ξi為慣性阻力系數(shù);ξv為粘性阻力系數(shù);L為多孔介質(zhì)厚度。公式(1)表示流體流過多孔介質(zhì)時(shí),流速與流動(dòng)方向上的壓力梯度成正比;公式(2)表示流體流過多孔介質(zhì)時(shí)壓降和流速的關(guān)系。由此根據(jù)散熱器和中冷器試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的散熱器ξi和ξv分別為141.12kg/m4和601.96kg/(m3·s),中冷器的ξi和ξv分別為67.98kg/m4和125.94kg/(m3·s)。2.3確定內(nèi)旋轉(zhuǎn)區(qū)域MRF模型可以把流場簡化為風(fēng)扇葉片在某一位置的瞬時(shí)流場,將非定常問題用定常的方法來進(jìn)行計(jì)算。首先需在風(fēng)扇的外圍框定一個(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域,在計(jì)算時(shí)該旋轉(zhuǎn)區(qū)域保持靜止,在慣性坐標(biāo)系中以起作用的科氏力和離心力進(jìn)行計(jì)算;風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)以外的計(jì)算區(qū)域在慣性坐標(biāo)系里面進(jìn)行計(jì)算。在兩個(gè)區(qū)域之間的交接面處交換慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)參數(shù),保證交界面的連續(xù)性,以達(dá)到用定常計(jì)算方法來研究非定常問題的目的。3計(jì)算值的方法3.1汽車整車模型的建立后置客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件多而雜,考慮到計(jì)算時(shí)間及精度,只保留艙內(nèi)主要部件的幾何結(jié)構(gòu),同時(shí)對(duì)某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理,最終的裝配模型如圖1所示。通過風(fēng)扇的風(fēng)筒仿真模型來驗(yàn)證所采用的MRF模型對(duì)風(fēng)扇模擬的有效性?；趽Q熱器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),在原有風(fēng)扇風(fēng)筒仿真模型基礎(chǔ)上,在風(fēng)扇前方劃分出一個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域,上部分為中冷器,下部分為散熱器(圖2),并將慣性阻力系數(shù)以及粘性阻力系數(shù)數(shù)值賦于該區(qū)域。在整車模型外圍建立封閉的計(jì)算流體域如圖3所示,其中整車的長、寬、高分別用l、w、h表示。考慮到實(shí)際行車時(shí)汽車輪胎的變形,將計(jì)算域地面抬高20mm。在劃分網(wǎng)格時(shí),采用多層次不同大小網(wǎng)格的方法,在車體附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理,遠(yuǎn)離車身的區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大,以減少總體的網(wǎng)格數(shù)量,如圖4所示。最終網(wǎng)格總數(shù)約為500萬個(gè)。3.2不同轉(zhuǎn)速工況仿真分析所研究客車為高速旅游大客車,常用工況為高速行駛工況。重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下冷卻模塊的性能,因而對(duì)車速為80km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2200r/min、橫條型格柵角度為45°的情況進(jìn)行模擬分析。模型入口邊界設(shè)為速度入口,其數(shù)值為仿真工況車速,即100km/h;出口為壓力出口,靜壓為0?？紤]到客車行駛時(shí)的地面效應(yīng),客車所在的地面設(shè)為靜止壁面,其余封閉體表面為滑移壁面,如圖5所示。4發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體的滲透車速為80km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2200r/min、橫條型格柵角度為45°時(shí)流場的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6a可以看出,由于風(fēng)扇的抽吸作用,部分氣體通過格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)較為復(fù)雜,多數(shù)氣體通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的開口從艙內(nèi)流出,部分氣體則從車體后部所設(shè)計(jì)的開口以及無風(fēng)扇側(cè)的格柵流出。從圖6b可以看出,在客車后部形成兩個(gè)明顯的漩渦,車后氣體螺旋著流向出口。4.1格柵開口角度對(duì)性能的影響實(shí)際車型的格柵為橫條型,開口角度為45°。橫排格柵開口角度定義為格柵與垂直地面軸線所構(gòu)成的夾角。保持格柵長度42mm不變,對(duì)格柵開口30°、60°、-30°、-45°、-60°等5種情況進(jìn)行模擬分析,并與原格柵開口45°進(jìn)行對(duì)比,開口角度如圖7所示。表1為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器表面的進(jìn)口流量。在同樣的邊界條件下,不同開口角度下其進(jìn)口流量不同?？傮w而言,格柵開口向下時(shí),進(jìn)口流量相對(duì)較大,說明此時(shí)空氣更容易進(jìn)入格柵流道,進(jìn)氣阻力相對(duì)較小。同時(shí)可以看出,隨著格柵開口角度絕對(duì)值的增大,進(jìn)口流量有遞增的趨勢。圖8為橫條型格柵不同開口角度下風(fēng)扇內(nèi)效率。圖9為不同格柵開口角度下中冷器和散熱器表面的速度均勻系數(shù)。由于換熱器的風(fēng)阻性能與速度的平方成正比。因此換熱器在同一流量下,速度越不均勻,其風(fēng)阻就越大。從圖9中可以看出,不同格柵開口角度下散熱器的速度均勻性系數(shù)與流量的趨勢一致,而中冷器的趨勢則與流量不同。相對(duì)散熱器而言,中冷器的阻力較小,其風(fēng)阻趨勢對(duì)流量的影響相對(duì)要小。因此,最終的換熱器表面進(jìn)口流量一方面與不同格柵開口角度時(shí)進(jìn)氣阻力有關(guān),另一方面也與換熱器表面的速度均勻性引起的換熱器阻值差異有關(guān)。從圖10的散熱器表面分布可以看出,當(dāng)格柵開口向上即格柵開口為負(fù)角度時(shí)(以-60°為例),散熱器上部即中冷器底部流速相對(duì)較小,特別是集中在中冷器右上角位置的回流情況相對(duì)較嚴(yán)重,對(duì)進(jìn)氣中冷十分不利。而當(dāng)格柵開口向下時(shí),回流并沒有格柵開口向上時(shí)嚴(yán)重,但換熱器底部的區(qū)域速度相對(duì)較小。綜合以上對(duì)比分析,對(duì)于橫條型格柵,建議采用格柵開口向下布置,且格柵開口越大,進(jìn)氣阻力相對(duì)越小。4.2格柵開口角度對(duì)內(nèi)效率的影響橫條型結(jié)構(gòu)和豎條型結(jié)構(gòu)格柵由于外形簡潔大方且加工方便,目前在客車上被廣泛采用。分別對(duì)豎條型格柵開口30°、45°、60°、-30°、-45°、-60°等6種情況進(jìn)行模擬仿真。圖11為豎條型格柵不同開口角度示意,定義格柵開口方向與客車行駛方向一致時(shí)為正值,相反方向則為負(fù)值。表2為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器進(jìn)口流量大小。結(jié)果表明,當(dāng)格柵開口與客車行駛方向一致時(shí)流量要遠(yuǎn)大于相反方向的開口。這主要是由于格柵開口與車輛行駛方向一致時(shí),可以利用氣流的流動(dòng)慣性進(jìn)入格柵流道;而相反方向時(shí)則完全需要風(fēng)扇的抽吸作用完成。從表2的仿真結(jié)果還可以看出,格柵開口方向與車輛行駛方向相反時(shí),與行駛方向偏離越大,氣流進(jìn)入換熱器表面越困難。格柵開口從-60°換至-30°時(shí),進(jìn)氣流量下降近20%。仿真結(jié)果也表明格柵開口正方向的基本趨勢是其開口越大,進(jìn)氣越容易。但是開口60°與45°相比,前者進(jìn)氣量略有下降。豎條型格柵不同開口角度下風(fēng)扇的內(nèi)效率如圖12所示,其變化的幅度仍不大,但總體上正向格柵開口時(shí)要比負(fù)向格柵開口時(shí)的內(nèi)效率高。而對(duì)于換熱器表面的速度均勻系數(shù),中冷器和散熱器具有同樣的變化趨勢(圖13)。開口方向?yàn)檎龝r(shí),開口方向越大則表面速度越均勻;開口方向?yàn)樨?fù)時(shí),與行駛方向偏離越大,表面速度越不均勻。而當(dāng)開口角度為30°時(shí),在6種情況中換熱器表面速度分布最不均勻。圖14所示為不同格柵開口角度下?lián)Q熱器表面的速度分布情況。以-60°為例,當(dāng)豎條型格柵開口角度為負(fù)值時(shí),和橫條型格柵不同的是,與客車行駛方向相反側(cè)的換熱器表面出現(xiàn)了速度較小的區(qū)域。這主要是由于此時(shí)格柵流道的方向直接指向與客車行駛方向相同的換熱器表面?zhèn)?使得空氣能夠順利到達(dá)該側(cè),并沒有出現(xiàn)明顯的速度“死區(qū)”。而當(dāng)格柵開口為正值時(shí),隨著開口角度增加,回流情況明顯得到改善。在格柵開口角度為60°時(shí)已經(jīng)沒有回流的情況,這也是在格柵開口60°時(shí)速度均勻系數(shù)比較高的原因。但同時(shí)也可以看出,此時(shí)換熱器表面速度呈條狀形態(tài),將格柵阻擋效應(yīng)映射到換熱器表面,與格柵開口45°相比,最高速度下降3%,這也是流量略有下降的原因。通過對(duì)豎條型格柵和橫條型格柵進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩者均在正向開口時(shí),空氣更易達(dá)到換熱器表面。但相對(duì)而言,豎條型格柵可以充分利用一部分氣流的流動(dòng)慣性,因此其進(jìn)氣阻力更小,仿真結(jié)果中最大進(jìn)氣流量達(dá)到5.02kg/s,比橫條型格柵最大流量高3%。同時(shí)對(duì)比圖14與圖10可以發(fā)現(xiàn),豎條型格柵換熱器表面的最大區(qū)域較橫條型格柵大,其速度均勻性系數(shù)比橫條型格柵有明顯提高,其中中冷器速度均勻系數(shù)提高10%。因此,對(duì)于該客車和冷卻模塊,豎條型格柵更有利于冷卻空氣進(jìn)入換熱器表面,且其開口角度宜選45°。5格柵對(duì)表面進(jìn)氣量的影響a.建立客車后置發(fā)動(dòng)機(jī)艙仿真模型,得出了客車內(nèi)、外流場分布。結(jié)果表明,氣流在通過格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙