基于輻射和散熱的發(fā)動機艙建模

基于輻射和散熱的發(fā)動機艙建模

汽車發(fā)動機艙研究汽車艙是一個半封閉空間。它由冷卻系統(tǒng)、電機和氣氣氣候系統(tǒng)、傳動裝置、空調(diào)和縫紉機等組成。結(jié)構(gòu)配置非常緊湊。隨著對汽車動力性、排放性能、經(jīng)濟性以及可靠性等方面要求的日益提高,汽車的發(fā)動機艙內(nèi)元件變得越來越模塊化,布置也越來越緊湊,這給發(fā)動機艙散熱帶來了更大的挑戰(zhàn),使汽車的散熱問題成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點之一。汽車發(fā)動機艙散熱效率直接影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性,發(fā)動機艙內(nèi)溫度過高時,使得汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性大大降低,若發(fā)動機艙溫度太高,還可能造成發(fā)動機艙的自燃。在新車開發(fā)過程中,研究發(fā)動機艙的散熱是一項重要的工作。傳統(tǒng)的實驗測試要在原型車制造出來才能實施,開發(fā)周期長,成本高,所以在車身設(shè)計和發(fā)動機艙總布置過程中,進行發(fā)動機艙的散熱情況分析,找出最惡劣的工況下,發(fā)動機艙溫度最高的位置和影響因素,為車身定型和發(fā)動機艙總布置提供有力的依據(jù),避免在汽車開發(fā)的最后階段進行過大的改動。因此,在新車型開發(fā)的過程中,可考慮采用CFD數(shù)值仿真的方法,進行發(fā)動機艙散熱研究。國外在這方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果,主要是仿真和實驗相結(jié)合,為汽車研發(fā)過程中的發(fā)動機艙散熱特性研究提供最有效的途徑。國內(nèi)在這方面也進行了相關(guān)的研究,有對發(fā)動機艙內(nèi)部件的獨立研究,如對散熱器組的研究;也有對汽車發(fā)動機艙散熱的研究,得到發(fā)動機艙的空氣流場和溫度分布。作者研究的CAD模型保留了發(fā)動機艙內(nèi)主要的元件和特征細節(jié),并考慮了熱邊界層和空氣對流傳熱,提高了計算結(jié)果的準確度。在設(shè)定的兩種工況邊界條件下,數(shù)值模擬了汽車發(fā)動機艙內(nèi)的速度場和溫度場,分析研究了發(fā)動機艙的散熱情況,找出艙內(nèi)冷卻空氣溫度最高的位置和造成這一結(jié)果的主要原因,最后提出優(yōu)化方案。1數(shù)學(xué)模型1.1發(fā)動機電控系統(tǒng)仿真模型汽車在道路上行駛,進入發(fā)動機艙的空氣大部分來自汽車前臉的上下進氣格柵,所以選擇這兩部分為計算的進口。而艙內(nèi)的空氣主要從汽車后方流出,為計算的出口。數(shù)值模擬的模型只選取發(fā)動機艙的內(nèi)部流場作為計算域,車身的其他部分簡化或省略,如圖1所示。這在保證工程精度的要求下,節(jié)約了計算時間。發(fā)動機艙內(nèi)的元件非常復(fù)雜,如果要全部真實地模擬,在網(wǎng)格劃分和計算過程中要求很多的人力物力和工作時間,這不符合工程的經(jīng)濟要求。所以在達到工程精度要求的情況下,可適當忽略小細節(jié),如發(fā)動機表面的小凸臺或小倒角,艙內(nèi)的一些小元件(如很細的電線),或做相應(yīng)的模型簡化處理,如圖2所示。1.2內(nèi)壓空氣的密度汽車發(fā)動機艙內(nèi)流場的空氣運動速度比較小,空氣的密度變化不大,可近似為常數(shù),因此艙內(nèi)空氣可看作為三維不可壓縮流場,由于艙內(nèi)模型復(fù)雜,容易引起分離,所以應(yīng)按湍流處理。各基本控制方程表示如下。(1)連續(xù)方程divvˉ=0(1)divvˉ=0(1)(2)p九+傳統(tǒng)是否實現(xiàn)了“vi-規(guī)”的高度div(ρvˉvi?μeffgradvi)=?p?xi+divdiv(ρvˉvi-μeffgradvi)=?p?xi+div(μeff?vˉ?xi)(2)(μeff?vˉ?xi)(2)(3)navier-st對雷達模型的改進?(ρT)?T+div?(ρΤ)?Τ+div(ρvˉT)=div(ρvˉΤ)=div(KCpgradT)+ST(3)(ΚCpgradΤ)+SΤ(3)式中vˉvˉ為平均速度,vi為平均速度分量,xi為坐標分量,T為溫度,K為流體的傳熱系數(shù),Cp為比熱容,ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。通常在對內(nèi)流場模擬的時候應(yīng)用較多的是RNGk-ε湍流模型。在這種模型中,通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響,將小尺度運動從控制方程中移除。在對Navier-Stokes方程進行雷諾時均化處理時,引進了新的變量項u′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉu′iu′jˉ(雷諾應(yīng)力項)。為使方程組封閉,必須對雷諾應(yīng)力做出某種假定,在大量的實驗基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下。(4)方程1的流量動能kdiv(ρvˉκ?Γkeffgradk)=G?ρε(4)div(ρvˉκ-Γkeffgradk)=G-ρε(4)(5)湍流動能有效黏度及有效黏結(jié)系數(shù)div(ρvˉε?Γεeffgradε)=εk(C1G?C2ρε)(5)div(ρvˉε-Γεeffgradε)=εk(C1G-C2ρε)(5)式中k為湍流動能,ε為湍流動能耗散率,μeff為湍流有效黏性系數(shù),ρ為空氣密度(常溫,1.16kg/m3),Γkeff表示湍動能有效擴散系數(shù),Γεeff表示湍動能黏性耗散率有效擴散系數(shù)。2結(jié)構(gòu)熱邊界條件為了正確模擬復(fù)雜流場,在一定網(wǎng)格點的條件下,流動參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域,須安排較多網(wǎng)格點。在發(fā)動機和散熱器等元件的周圍網(wǎng)格加密,由于熱邊界的存在,要拉伸附面層,用以提高邊界層的計算精度。圖3為發(fā)動機艙主要元件的網(wǎng)格劃分。計算中采用了3種流動邊界條件(velocity-inlet;pressure-outlet;wall)、3種換熱邊界條件(heat-flux;temperature;convection)、多孔介質(zhì)邊界條件、體積源項邊界條件和風(fēng)扇模型邊界條件。汽車的進口邊界條件設(shè)定為velocity-inlet,設(shè)定工況為車以某一速度向前勻速運動,進風(fēng)溫度和環(huán)境溫度相同,進口的湍流方式使用經(jīng)驗數(shù)值(湍流強度為5,黏性比為2%)。計算中假定其他位置不出風(fēng),僅在計算模型的末端留一個出口面,設(shè)定為pressure-outlet。熱邊界條件的處理分材料的選取以及熱邊界的類型兩個部分,根據(jù)實際情況,設(shè)定發(fā)動機艙內(nèi)元件的材料和邊界條件。板翅式換熱器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體積的簡化模型以多孔介質(zhì)模型來代替。多孔介質(zhì)的設(shè)置要根據(jù)實驗得到的冷凝器、油冷、水箱的阻力曲線獲取。冷凝器和水箱以及油冷當作熱源處理,賦予相應(yīng)的體積熱源。采用風(fēng)扇模型,指定通過風(fēng)扇前后的壓力變化與通過風(fēng)扇的速度之間的函數(shù)關(guān)系,進行簡化計算。2.1配比的確定和假設(shè)在簡單、均勻的多孔介質(zhì)上,多孔介質(zhì)的Darcy定律可以使用下面的數(shù)學(xué)模型Si=?(μαvi+C212ρv2)(7)Si=-(μαvi+C212ρv2)(7)式中α為多孔介質(zhì)的滲透性,C2為慣性阻力因子,其中,黏性系數(shù)μ=1.7894×10-5。在已知多孔介質(zhì)上的速度與壓強損失的試驗數(shù)據(jù)(表1)時,可以通過插值求出多孔介質(zhì)上的系數(shù)。由表1可以擬合出Δp-v曲線,強迫截距為0,得到的函數(shù)關(guān)系為:Δp=-(93.583v2+368.76v)(8)式(8)方程等價于式(7),形式上是速度v的多項式,對比兩個方程可知:12C2ρ=93.583(9)12C2ρ=93.583(9)μα=368.76(10)μα=368.76(10)在ρ=1.225kg/m3時,慣性阻力因子C2=152.789;在μ=1.7894×10-5時,可知1/α=2.06×107。2.2冷凝器的數(shù)據(jù)模擬當將風(fēng)扇用一個無限薄的片體代替時,就可以用風(fēng)扇邊界條件直接仿真。冷卻空氣通過風(fēng)扇時存在壓強損失現(xiàn)象,在此可用壓強損失系數(shù)表示。再設(shè)定通過風(fēng)扇后空氣的軸向和切向的速度,模擬出冷卻空氣通過風(fēng)扇后的漩渦。風(fēng)扇的壓強損失與迎面風(fēng)速的關(guān)系如表2所示。該風(fēng)扇的扇葉外徑為120mm,內(nèi)徑為40mm。由表2的數(shù)據(jù)擬合出風(fēng)扇的迎面風(fēng)速與壓強損失之間的函數(shù)關(guān)系為3截面的溫度分布在分析發(fā)動機艙散熱情況時,選取了發(fā)動機處于最惡劣的工作環(huán)境下的兩種工況。工況1:汽車行駛在發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩點,環(huán)境溫度為36℃,車速為60km/h。工況2:汽車行駛在發(fā)動機額定功率點,環(huán)境溫度為36℃;車速為110km/h。在工況1的邊界條件下,發(fā)動機艙內(nèi)冷卻空氣的最高速度發(fā)生在冷卻風(fēng)扇的后方,為42m/s。艙內(nèi)冷卻空氣的最高溫度在三效催化轉(zhuǎn)化器的附近,局部溫度達到310℃。元件表面最高溫度是排氣歧管和三效催化轉(zhuǎn)化器的表面,為590℃左右。圖4和圖5的Y=0.25截面(截面位置如圖2所示)穿過了散熱器組、風(fēng)扇、排氣歧管、發(fā)動機、隔熱罩表面以及進氣歧管。在圖4的左方,從進氣格柵進入的空氣掠過散熱器組后被加熱,溫度介于83～112℃之間,但到了排氣管附近時,溫度為302℃,因為排氣管散熱量很大,一般發(fā)動機艙的最高溫度會出現(xiàn)在這里。隔熱罩使得高溫氣體沒有到達車表面,有一定的保護作用。從圖5的速度場分布中可以看到,空氣經(jīng)過散熱器時速度降低,經(jīng)過風(fēng)扇后速度增高,該截面上的最大速度值在風(fēng)扇后方。空氣到達發(fā)動機和排氣管的速度大約是25m/s,隔熱罩的導(dǎo)流作用使得發(fā)動機頂部空氣流速相對較高。此外,截面上的速度大約在10m/s以下,由于底部有進風(fēng)口,使得通過油底殼下方的流動速度大約有15m/s,此處的溫度分布也基本達到設(shè)計要求。圖6和圖7為X=-0.2截面(截面位置如圖2所示)的溫度圖和矢量流線圖。X截面主要經(jīng)過排氣管和空氣濾清器。截面的高溫氣體主要分布在排氣管周圍,因為發(fā)動機罩的作用,高溫氣體相對比較集中。由于該部分的元件用耐高溫材料制造,所以該位置局部的空氣高溫是設(shè)計所容許的。艙內(nèi)的左右溫度分布不同,右邊的溫度比左邊的溫度高。特別在電池的右側(cè)有高溫區(qū)存在,這對電池的使用性能和壽命有一定的影響。從圖7的矢量流線圖可以看出,左邊的空氣流速較大,流動比較順暢;而右邊流速較低,還有很明顯的漩渦存在。電池的右側(cè)也有漩渦存在,漩渦的存在是截面局部高溫的主要原因。圖8和圖9是Z=0.2截面(截面位置如圖2所示)的溫度圖和矢量流線圖,經(jīng)過左右風(fēng)扇的風(fēng)速和空氣的溫度基本相同,但之后左側(cè)的空氣流向發(fā)動機和排氣歧管,在排氣歧管附近風(fēng)速減低,由于排氣歧管形狀復(fù)雜,造成小漩渦的產(chǎn)生,空氣的低速和循環(huán)加熱使得附近的氣體相對高溫。艙內(nèi)最左邊也有漩渦的存在,但因為進入的氣體本身溫度不是很高,所以滯留的氣體溫度不高。右側(cè)氣流因為受到電池和空氣濾清器的阻擋,在電池、空氣濾清器和發(fā)動機之間形成了漩渦,空氣循環(huán)加熱,溫度升高。在工況2設(shè)定的邊界條件下,由于車速較高,發(fā)動機艙內(nèi)冷卻空氣最高速度達到49m/s,主要分布在冷卻風(fēng)扇的后方,艙內(nèi)冷卻空氣的最高溫度還是在三效催化轉(zhuǎn)化器的附近,局部溫度達300℃。部件表面最高溫度在排氣歧管和三效催化轉(zhuǎn)化器的表面,為580℃左右。由于工況2的XYZ截面的溫度和速度分布和工況1的大致相同,在此只給出Y=0.05截面的溫度云圖和速度云圖(圖10、圖11)。圖12是工況1的發(fā)動機艙內(nèi)元件的表面溫度分布,可以看出高溫表面主要在排氣歧管和三效催化轉(zhuǎn)化器,為590℃左右。三效催化轉(zhuǎn)化器的迎風(fēng)面的溫度比另一面的溫度相對較低,表面最高溫度一般都在冷卻風(fēng)不能直接到達的小轉(zhuǎn)角位置。發(fā)動機表面的溫度分布比較平均,油底殼的溫度大約為130℃。在發(fā)動機的隔熱罩附近,其表面溫度為312℃,而實驗測量的結(jié)果(某汽車公司提供的數(shù)據(jù)文件)為328℃,二者之間的相對誤差為5.13%,由此可見在此處的CFD計算的溫度場基本達到工程的精度要求。由圖13的艙內(nèi)空間矢量圖可以看出,從進氣格柵進入的空氣,經(jīng)過風(fēng)扇加速,撞擊到蓄電池和排氣歧管,由于不能平緩過渡,該位置的速度矢量方向凌亂。油底殼的底部風(fēng)量充足,主要是底面的進風(fēng)口帶來了足夠的冷卻空氣。但油底殼的周圍風(fēng)量太小,風(fēng)速不高,原因是底面進來的空氣不能直接到達油底殼表面。4不同工況下發(fā)動機艙的結(jié)果分析(1)利用CFD軟件成功完成了汽車發(fā)動機艙散熱的模擬。得到發(fā)動機艙的溫度場和速度場,能量化地判斷出發(fā)動機艙內(nèi)的最高溫度的位置,為車身造型和總布置提供有用的參考。(2)邊界條件,如散熱器的壓降和散熱量,風(fēng)扇的壓降和速度函數(shù),發(fā)動機表面的熱通量等的設(shè)置,對計算結(jié)果會有比較大的影響。因此必須具體情況,具體分析。(3)排氣管和三效催化轉(zhuǎn)化器的散熱量很大,對它附近的元件造成影響。為排氣管和三效催化轉(zhuǎn)化器加上隔熱罩,讓它的熱量向某個特定的方向散出,雖然局部的溫度會上升,但可以起到保護其他不能承受高溫的元件的作用。(4)由于空氣濾清器的周圍有漩渦存在,空氣的循環(huán)加熱使溫度過高,會降低發(fā)動機進氣效率,并對旁邊的電池和保險箱等塑料元件造成威脅。因為空氣濾清器和電池等是低散