汽车发动机舱热管理技术的研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 也为此增加了额外的挑战为了迎合这些挑战，需要不断地研究更有效的 CFD 方法以及发动机舱更多的领域，并不断通过试验验证其可靠性 2004 年，Mahmoud[23]等人通过用多种模拟方法讨论了目前车辆中所有热系统的集成以及各系统之间数据的交换2005 年，Knaus[24]等人比较了基于 CFD 理论的两种有限体积法，发现其中一种方法对冷却空气流的模拟结果与实验相比最大误差有13%， 即使这样，它也有优势，可以将模拟时间缩短 28%，为研发设计提供修改方向Fortunato[25]等人采取了一种革新的方法， 将离散格子玻尔兹曼方程 （Lattice Boltzmann Equation , 简称 LBE）与有限体积的 CFD 方法结合起来，发挥各自的优势来缩短所需时间并提供发动机舱热管理的结果，计算结果与试验相比最大偏差为±10°CPuntigam[26]等人描述了针对整个车辆热管理的各种不同模拟方法的有效利用2006年，Norihiko[27]等人研究了一种结合一维和三维流体流动模型的模拟方法。

Knaus[24]等人通过耦合一维与三维仿真研究了具有不同构造的格栅和不同形状的前端进风口的冷却模块的性能Ding[28]等人利用常用的有限体积法比较了简易模型的流体仿真结果和整个汽车模型的风洞试验结果， 并对比了这两种模型中空气流动对车辆阻力产生的影响，数据显示冷却系统阻力系数为 0.020，风洞测试结果范围为 0.025-0.030，冷凝器进口温度模拟结果比试验测试结果低 5°C Alajbegovic[29]等人对越野车辆结合LBE 求解器与一维仿真工具进行了模拟仿真，并与试验进行了比较，对比显示散热器顶部水箱温度值的仿真结果比试验测得结果高 1°C Alajbegovic[30]等人将预测的空气流动结果和散热器进口端温度结果与试验进行了对比， 验证了仿真结果与试验结果具有很好的关联性 2007 年， Shailendra[31]等人对整车发动机舱热分析分别利用稳态、准瞬态、瞬态方法进行模拟，通过与试验的对比，分析各自方法的优缺点并说明了仿真模拟对整车热管理的重要性2008 年，Tim[32]等人使用 CFD 软件 FLUENT 作为模拟工具，综合分析并评估影响发动机舱冷却气流的众多因素，包括汽车前端格栅，发动机舱盖， 保险杠， 热交换器， 风扇大小、 形状、 叶片厚度、 位置等。

2010 年， Vivek[33]等人针对后置发动机舱整车模型， 利用一维软件 KULI 和三维软件 Fluent 模拟分析散热器散热和顶管温度来评估发动机的冷却性能， 并通过结果分析讨论了设计修改以便上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 改善散热性能， 揭示了一维和三维仿真在预测发动机舱热环境和确定发动机冷却系统修改方案方面具有潜在的价值 1.3.2 国内发动机舱热管理的国内发动机舱热管理的 CFD 研究现状研究现状 相比较国外而言，发动机舱热管理技术在我国还处于起步阶段，在国家“863”、国防预研、国家自然科学基金和“985”等众多项目的支持下，清华大学从 1999 年开始，率先在国内开展了相关研究，初步建立了汽车发动机舱热管理仿真平台，并正在建设汽车发动机舱热管理试验研究平台[5] 在非汽车发动机舱热管理方面， 2003 年， 毕小平等人首次通过建立坦克动力舱内三维空气流动数学模型，使用 k-ε 双方程湍流模型描述湍流流动，应用旋转坐标系控制方程求解冷却风扇局部区域处的空气流动，采用多孔介质模型代替散热器，凭借非结构化网格与网格自适应技术进行区域离散化，进行了动力舱内空气流动数值模拟，并与试验结果进行了对比，误差在工程允许范围内[34]。

2005 年，王芳等人通过建立某型直升机发动机舱的数值模型，根据发动机舱内冷却空气实际流通情况，模拟了发动机舱内气流流动和换热特性，获得了发动机舱内温度场空间分布，并在此结果分析基础上针对目前直升机设计存在的问题提出了该型机发动机舱内冷却系统的改进方案[35] 在汽车发动机舱热管理方面，在计算机仿真广泛应用之前，2004 年，赵新明等人首次采用可视化方法研究了在不同工况下轿车发动机舱内温度的变化规律， 通过温度测量数据采集器采集事先划分的网格点的温度， 并将一系列的温度值输入计算机建立数据库，然后根据数据构造插值函数，凭借造型技术构造温度面，使温度变化规律更加直观，有利于找出问题的关键所在和制定改进方案，提出在发动机罩盖上开孔，显著降低发动机舱内温度，并提高了发动机充气效率[36] 在计算机仿真应用方面，2005 年，陈涛等人通过商业软件 Flowmaster2、AVL boost、Cruise 建立了国内第一个可用于热管理研究的发动机系统整体热流体分析平台，凭借该平台对某型增压中冷器柴油机的冷启动特性和热特性进行了仿真分析，具上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 体利用 boost 建立发动机燃烧放热与排气模型，应用 flowmaster2 建立发动机燃油、冷却、润滑子系统模型，并利用 cruise 建立控制平台模拟发动机运行时的整车工况与台驾试验工况[37]。

虽然是对发动机进行的系统整体热流体分析研究，但进行的都是一维仿真模拟，并没有考虑发动机舱内外流场特性（三维仿真模拟），因此从系统集成角度来说并不完整 2005 年，西北工业大学刘传超通过使用 Fluent 软件进行东风 D310 汽车发动机舱内外流场耦合仿真， 计算了发动机舱内的空气流动特性和换热特性， 并提供了进风口、热交换器和冷却风扇等发动机舱内主要部件的空气流量[38]2006 年，东风汽车公司蒋光福根据某汽车公司提供的数学模型及计算工况，应用 Fluent 和 KULI，耦合发动机舱内外流场，对该汽车车速为 25km/h 时，发动机分别处于最大扭矩点和额定功率点时发动机舱内的流场、散热和温度场等特性进行了模拟分析，该计算对汽车真实形状进行了大量的简化，全流场计算单元数为 857 万[39]2007 年，同济大学肖国权等人建立了整车热管理系统的简化模型， 并分别应用 Fluent 和 Star-CD 模拟了发动机舱内流动和换热特性，将两者结果进行了比较，在此基础上分析了不同工况下发动机舱的温度分布特性，为发动机舱冷却模块的优化设计提供了参考[40]同样，大连理工大学白文龙建立了工程机械动力舱的简化模型，应用 Fluent 进行了动力舱内温度场、速度场和质量流量分布的模拟计算，对动力舱进风口的位置、大小和数量以及冷却风扇的方向进行了改进评估[41]。

2009 年，湖南大学袁侠义等人考虑了高温元件的散热量以及空气的对流传热和辐射等因素，建立了发动机舱简化模型，利用 CFD 软件模拟了发动机舱流场和换热特性， 获得发动机舱内部气流的速度与温度分布和重要元件的表面温度等参数，并对存在的问题提出改进方案[42]东风柳州汽车有限公司唐因放采用汽车表面和发动机舱内、外流场耦合计算数值模拟方法，分别对一挡最大功率点和五挡最高车速工况下发动机舱的流场和温度特性进行了仿真分析， 快速而准确地预测了发动机舱内的回流区和高温区的存在[43]吉利汽车研究院有限公司曾昌明等人用 GT-COOL 对冷却系统进行了一维仿真模拟， 得到指定工况下冷却液流量以及指定冷却温度下所需要的冷却风量， 然后通过 Star-CD 对整车模型进行了三维仿真模拟上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 来分析指定工况下散热器风量， 并通过增加格栅导流板以及封闭个别漏风处来改善散热器的空气流量，最后评估了中冷器在机舱内中置和侧置两种方案，虽然利用一维和三维计算流体力学方法分析了模拟冷却液温度与分布状况及冷却空气的流量， 但一维和三维仿真是相互独立的，没有相互耦合，而且一维与三维的结合点只有散热器处的冷却风量[44]。

1.4 课题的研究意义及研究内容课题的研究意义及研究内容 1.4.1 课题的研究意义课题的研究意义 从发动机舱热管理的重要性来讲，发动机是汽车设计的重中之重，是汽车的动力之源发动机的性能直接影响到汽车的经济性和动力性，而发动机舱内的温度又直接影响到发动机的动力性和经济性 提高发动机性能的方法之一是得到整车尤其是发动机舱内器件，如发动机、冷却系统、排气系统的温度分布，然后指导冷却系统的设计改进而这正是汽车发动机舱热管理仿真的核心内容 从发动机舱热管理的必要性来讲，一方面，由于汽车工业的高速发展，引起人们对汽车美观、舒适性和安全性更高的追求；另一方面，由于全球范围内的能源供应日趋紧张以及国际对生态环境的不断重视， 世界各国不断要求汽车厂商进行节能减排和环保，并陆续制定更加严格的排放标准因此，研究高效可靠的汽车发动机舱热管理方法势在必行 从发动机舱热管理的可行性来讲，随着计算机技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流体力学和计算传热学为汽车发动机热管理的设计研究开辟了新的途径， 仿真成为一种非常有效并具有潜力的手段， 对热管理系统的成功开发与设计带来非常显著的作用[13] 从发动机舱热管理仿真研究现状来看，虽然近几年国内也进行了诸多仿真方面的研究，但内容还不够深入。

比如，大多数仅研究了发动机舱内流场，没有将整个汽车至于风洞之中，只考虑了发动机舱内流场进行了发动机舱热管理分析，没有耦合发动上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 机舱内流场与整车外流场进行整车发动机舱热管理仿真； 在建立汽车发动机热管理模型方面，限于计算机硬件配置和 CFD 软件的处理能力，将汽车整个数学模型进行了大量的简化，致使模型与汽车真实形状存在比较大的差异；只对发动机舱热管理进行了简单的一维或三维仿真 本文从整车发动机舱热管理角度出发，建立整车热管理模型三维数值模型和发动机及冷却系统一维数值模型，利用 SC/Tetra 中 wrapping 技术对整个汽车模型只进行了局部少量简化，耦合一维和三维仿真，为汽车发动机舱热管理仿真提供了一种综合全面的指导方法 1.4.2 课题的研究内容课题的研究内容 本文以某款轿车为研究对象，在建立三维整车热管理系统数值模型的同时，建立了发动机一维数值模型和发动机冷却系统一维数值模型在模拟发动机舱内、外流场及其换热特性时， 分别应用了等效压力损失模型和运动网格等建立起热交换器和风扇的数值模型，结合散热器的试验特性以及发动机热平衡一维仿真结果和实验结果，确定了发动机舱三维流动模拟边界条件，计算了某轿车发动机舱的热流特性，并在此基础上对一维仿真结果进行修正， 实现了整车发动机舱热管理的一维和三维仿真结果迭代耦合分析，为实现样机制造前整车热管理仿真提供了指导方向。

具体讲本课题包括以下几方面： （1）介绍发动机舱流场数值模拟的理论基础和方法，概括发动机舱热平衡基本理论 （2）建立整个汽车热管理系统模型，中冷器、冷凝器和散热器等热交换器的等效压力损失模型、冷却风扇的模型处理、网格的划分，计算条件的选取与设定；建立发动机热平衡一维计算模型和冷却系统热平衡一维计算模型 （3）利用 AVL boost 和 Flowmaster 等商业软件对发动机及其冷却系统进行一维仿真模拟， 提供三维计算的有关参数； 在三维数值模型建立与。