针对某款越野车发动机舱冷却系统性能不足的问题,采用了一种以三维仿真为主、一维仿真为辅的分析方法,进行了发动机舱热管理分析与改进设计。通过三维仿真,对发动机舱进行了流场与温度场分析,找出了发动机舱内的高温热害部位;通过一维仿真,得到了发动机的出水温度和中冷器热端的出风温度,计算出了相应的ATD值和中冷常数。在此基础上,采用了加装导流板的改进方案,降低了中冷常数。仿真结果显示:发动机舱内中冷器上方区域存在明显的热回流情况,导致中冷常数偏高。加装导流板后,中冷器的进风量有所增加,回流量有所减少,中冷常数从28℃降低到21.31℃。这为该款越野车型的研发提供了技术支持,缩短了研发周期。
关键词
发动机舱热管理；三维仿真；一维仿真；流场与温度场
主要内容
１整车CFD模型的建立
由于发动机舱内的零部件众多，而研究重点在于舱内的传热分析，在保证计算精度的前提下，可以对舱体的几何模型进行简化。在ＡＮＳＡ软件中对几何模型进行前期的几何清理工作，将一些直径较小的管道及线束等对传热影响较小的部件进行简化。图１为简化后的整车几何模型示意图。
图１简化后的整车几何模型示意图
将前处理后的文件导入到ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋中，进行网格质量检查、划分区域以及设置边界条件，完成体网格的生成。图２为计算域示意图。计算域的长度设为１０倍车长（车前３Ｌ、车后６Ｌ），宽度为７倍车宽（左右各３Ｗ），高度为５倍车高。计算域的入口设为速度入口，数值根据工况车速进行设置。出口设为压力出口。
图２计算域示意图
为了更加真实地模拟发动机舱内部的流场情况，在生成体网格时设置了多个Ｂｌｏｃｋ块局部加密区域。从整车的表面向发动机舱内分层细化体网格，以提高仿真的计算精度。经过网格划分，生成的体网格单元约３４６７万，如图３所示。
图３生成的体网格示意图
通过对换热器进行台架试验获取惯性阻尼系数和黏性阻尼系数。图４为台架试验示意图。根据台架试验获得的数据，拟合得到换热器的二次多项式曲线。多项式系数即为各换热器的多孔介质特征参数，参数如表１所示。
图４换热器的台架试验示意图
表１各换热器的多孔介质参数
采用动量源法设置风扇的边界条件。相较于多重参考系法，该方法不需要详细的风扇ＣＡＤ数据，通过输入风扇的Ｐ－Ｑ曲线完成动量源的加载，真实地模拟风扇旋转。通过实验采集风扇的Ｐ－Ｑ特性曲线后，在Ｏｒｉｇｉｎ软件中拟合出二次多项式（如图５所示），利用差值法得到风扇各工况点的转速值。
图５P-Ｑ曲线多项式拟合曲线
根据《汽车水冷发动机冷却装置的性能及试验方法》的标准，在车辆研发过程中，需要对发动机降额功能轻型车辆的冷却系统性能进行检验，即ATD（airtoderating）试验。该试验采用道路试验的方法。测试车辆后面连接着一辆拖车，车辆油门踩到底，通过控制拖车来保证测试车辆发动机转速和条件，ＡＴＤ试验场景如图６所示。
图６ＡＴＤ试验场景
本文中研究车型搭载的是Ｆ１Ｃ直喷发动机，主要参数如表２所示。
表２Ｆ１Ｃ直喷发动机参数
根据Ｆ１Ｃ型发动机特性曲线（如图７所示），挑选３个发动机工况进行仿真，３个发动机工况分别属于最大功率工况和最大扭矩工况。其中，最大功率工况下的发动机转速为３５００ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩工况下的发动机转速分别为２５００、１５００ｒ／ｍｉｎ。仿真工况的具体参数如表３所示。
图７Ｆ１Ｃ发动机特性曲线
表３仿真工况参数
2发动机舱散热特性分析
为更好地说明流场与温度场的仿真结果，在冷却系统的核心区域附近定义了２个截面。如图８所示，Ｙ＝０ｍｍ是位于格栅进气口附近的对称截面，Ｚ＝５６０ｍｍ则位于中冷器附近位置。
图８截面位置示意图
三维仿真的主要目的是观察发动机舱内是否存在明显的回流现象，找到高温热害的部位。通过速度矢量图可以研究发动机舱内流场与温度场的分布情况，这里分别对３种工况下的发动机舱散热特性进行仿真分析，图９是最大功率工况下的速度矢量图和温度云图。图９（ａ）中，在Ｙ＝０ｍｍ截面处，中冷器与上格栅之间的缝隙较大，中冷器冷端的进风面没有正对上格栅。通过上格栅的大量冷却空气绕过中冷器，从中冷器的上方直接流入散热器，仅有少量空气从中冷器的冷端进入，不利于对热端高温气体的冷却，导致发动机舱内的回流率较大，降低了冷却系统的性能。从图９（ｂ）也可以看出，在Ｚ＝５６０ｍｍ截面处，中冷器上方区域均有来自于发动机舱内的回流空气（如图中黑圈所示），这些回流的高温气体不利于中冷器散热，降低了冷却系统的性能。
图９原方案的速度矢量图和温度云图
图１０是最大扭矩工况下的结果。由图１０（ａ）可知，在２５００ｒ／ｍｉｎ转速下，发动机舱内的流场分布与最大功率工况相似，高温区域主要存在于散热器和发动机之间，最高达到了１１７．２１℃。相比于最大功率工况下的１１４．８２℃，提高了２．３９℃。由图１０（ｂ）可知，在１５００ｒ／ｍｉｎ转速下，发动机舱内的高温区域更多，基本上都在１１０℃以上。相似地，高温最高的区域存在于散热器和发动机之间，最高达到了１２９．０３℃。相比于最大功率工况下的１１４．８２℃，提高了１４．２１℃。
图１０最大扭矩工况的速度矢量图和温度云图
在回流量计算过程中，三维流线图可以反映发动机舱内的热回流情况。从图１１可以看出，从散热器出口流出的空气经过中冷器左右两侧形成涡流，大量回流入中冷器进风口，降低了中冷器和散热器的冷却性能。
找到发动机舱内的高温热害部位后，将各冷却模块的流量值以及工况数值输入到一维模型中，进行ＡＴＤ值和中冷常数的计算。
图１１热回流流线云图
3冷却系统一维仿真分析
3.1一维模型的建立
图１２为中冷器两端气流流动示意图。中冷器的进气流量分为两部分：一部分是涡轮增压产生的高温气体从中冷器的热端（绿色管路）流入；另一部分是常温冷却空气从中冷器的冷端（格栅进入）流入。冷却空气从中冷器中水平流过，对高温气体进行冷却降温，冷却后的高温气体从红色管路回到发动机中。
图１２中冷器两端气流流动示意图
根据发动机舱的实际结构，在Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ中搭建出了一维模型，如图１３所示。该模型由进气系统和水冷系统２部分组成。进气元件主要是冷凝器、中冷器和散热器。常温空气从格栅进入机舱后，经过中冷器和冷凝器流入散热器。由于冷凝器、中冷器和散热器等换热器均存在热回流现象，在三维仿真时需要分别对它们的流量进行监测。将三维仿真结果输入到一维模型中，完成ＡＴＤ值、中冷常数等参数的计算。水壶和水泵等水路元件组成了发动机的水冷系统。其中，一维模型仿真所需的水路各部件性能参数由生产厂家提供。而气路元件参数，如中冷器和散热器的进风量和回流量等，需要通过ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋的三维仿真计算获得。
图１３一维模型示意图
3.2一维仿真的计算结果
一维仿真分析中，一般将ＡＴＤ值和中冷常数是否满足要求作为评价指标。经过一维计算，３种工况的ＡＴＤ值均满足要求（≥４５℃），而前２种工况的中冷常数在２８℃左右，超过了限值，第３种工况的中冷常数满足要求。一维仿真结果如表４所示。
表４一维仿真结果
由表４可知，最大功率工况的中冷常数最高，超过了工程限值，故将该工况作为恶劣工况，进行发动机舱的改进设计。通过对冷却系统部件的空间位置进行调整等改进方案，改善中冷常数。
４发动机舱的改进设计
4.1改进方案的设计
为了解决中冷常数不满足要求的问题，本文中尝试提出了３种改进方案：方案１，在中冷器上方增加一块导流板，将上格栅处的冷却空气导流到中冷器的进风面附近，以增加中冷器的进风量。方案２，调整上格栅的开口方向，改变冷却空气的流向。方案３，提高中冷器的空间位置，增加冷却空气的正对面积。其中，方案２对格栅进行结构改进，研发成本较高。方案１与方案３相比，增加导流板的方案，在工程中更易实现。综合考虑，采用方案１对发动机舱的结构进行改进设计，改进前后的几何模型如图１４所示。
图１４改进前后的几何模型示意图
4.2改进前后的对比分析
对方案１来说，加装导流板可以有效地增加中冷器的进风量，减少舱内的热回流现象。对发动机舱进行流场与温度场仿真分析，得到的发动机舱２个方向上的速度矢量图和温度云图如图１５。
图１５改进后的速度矢量图和温度云图
从Ｙ＝０ｍｍ截面（图１５（ａ））可以看出，加装导流板后，从上格栅进入的大量冷却空气被导流到中冷器进风面，增加了中冷器的进风量，同时散热器后方温度从１１４．８２℃降低到了１１２．１５℃，改善了热回流现象。从Ｚ＝５６０ｍｍ截面（图１５（ｂ））可以看出，加装导流板后，中冷器附近的流速有所下降。散热器后方的温度从１１５．４２℃降低到了１１３．７４℃，降低了机舱内高温部位的温度，提高了散热性能。
经过一维计算，加装导流板后的中冷常数满足了要求，改进前后参数的计算结果如表５所示。由表５可知，中冷器的流量明显增加，回流量明显减少。该改进方案在满足ＡＴＤ值的要求下，将中冷常数从２８℃降低到２１．３１℃，提升了中冷器的冷却性能。
表５改进前后参数的计算结果
５结论
１）运用三维ＣＦＤ方法对某越野车发动机舱进行了流场与温度场仿真分析，确定了舱内存在的高温热害部位，得出中冷器附近的回流量较大。
２）通过冷却系统的一维仿真，结果表明：最大功率工况下的中冷常数值最不理想，不符合工程要求。需要对机舱进行结构优化改进，降低该工况下的中冷常数值。
３）通过加装导流板的改进方案，中冷器的流量有所增大，回流量有所减少，中冷常数从２８℃降低到２１．３１℃，提高了中冷器的冷却性能。
王良模,张啸天,王陶,等.某越野车发动机舱热管理分析与改进[J].重庆理工大学学报(自然科学),2023,37(10):9-16.