汽车冷却系统中的空气流量和冷却液流量电路的研究..

汽车冷却系统中的空气流量和冷却液流量电路的研究SC庞，硕士卡拉姆，H.H.masjuki，硕士Hazrat（马来亚大学机械工程系，马来西亚50603）摘要：发动机冷却系统对发动机的工作温度起着重要的作用。冷却的蚂蚁电路通过拿起热在水夹克。随着压力梯度的存在，在冷却液回路，热冷却剂流出从发动机到散热器或旁路电路（冷启动）。在引擎盖下的空气流通过大量的引擎盖组件在空气流中带走热量。冷却液流量电路和空气流量回路在散热器中互相满足换热。广泛的研究，研究车辆的冷却系统，广泛的数值模拟或实验。研究涵盖了许多个人的话题包括发动机冷却系统的数值模拟，罩下的空气流动，在水套换热，沸腾后的现象在散热器和冷却剂的传热。关键词：冷却系统、数值模型、车辆键控、气流、冷却液流量、沸腾现象。1.简介发动机冷却系统是保证发动机在最佳温度下运转的关键。然而，它总是被忽视或分优先级的车辆设计。例如，在较低的引擎盖设计是理想的汽车美容的散热器空气流量。冷却液回路启动时，通过在水夹上取热。与压力梯度存在回路，热的冷却液从发动机散热器或旁路电路（在冷启动）。冷却液流量与散热器的比和旁路电路的比例由温控器驱动。在引擎盖下的空气气流经过大量的引擎盖组件后，在散热器内流动热量。冷却液流量电路和空气流量回路在散热器中互相满足，换热。在数值模拟的复杂性需要罩的几何在计算流体动力学（CFD）捕捉动态空气流到散热器。而一维热流体模拟可以在组件级的电路模型，可以模拟瞬态冷却液温度。其次，冷却空气流量的影响下，在发动机罩下的许多组件。进行了数值模拟和实验研究，研究了冷却空气流动。第三，冷蚂蚁在水上的热量传递，吸收和带走燃烧热量是发动机冷却研究的又一重要分支。第四，在散热器传热研究的另一个主要范畴。翅片间距，管排数和翅片形貌的影响可能会影响散热器散热性能。最后，本研究要强调的是，由于热浸泡后的冷却液（快速发动机关闭）后的沸腾现象。热浸泡导致车辆的关键，在冷却液温度的巨大增量。在冷却液回路中，经过沸腾的现象对元件造成致命的损坏。2.三维流体模拟与一维热流体模拟的耦合在汽车热交换器的性能评价，工作是冷却空气气动力、热交换器系统分析研究的两个主要组成部分是必需的。许多研究人员完成了这项工作的一部分，一些研究者建立了两个部分的耦合。图1在发动机冷却系统中的基本组成部分。由于冷却气流通过前保险杠、格栅和其他热交换器（即冷凝器、充空气冷却电流），在散热器表面的速度分布是高度不均匀的，特别是在低速行驶时。进行了实验研究，以确定在前端的屏蔽方法将提供更均匀的速度分布，因此更高的散热性能[1]。在发动机罩热工况下，进行了大量的试验研究。测量辐射和对流热通量在机罩下研究中提出了一个创新的和准确的方法。此外，优化的热管理建议通过适当的定位组件（上游、下游）将导流[2,3]。大量的数值模型预测的冷却空气流量，无论是在2D或3D的[4]。除此之外，很少有现成的商业CFD软件一样流利，维特斯，STAR-CD和StarCCM[5]。计算流体动力学的基本概念，以及在许多来源描述[6]。计算流体力学基本上是一个N-S-斯托克斯求解器，它解决了质量守恒方程和动量守恒方程。在计算流体力学中的偏微分方程（PDE）形式的动量方程离散成代数方程，用有限体积法、有限差分法。如果温度数据是至关重要的，它是必要的，包括能量方程的数值模型。下面是动量方程的方向。它显示了强大的压力和速度之间的关系。为了捕捉到几何效应，在引擎盖下的车辆的动态空气流总是使用计算流体力学模型。在文献中，稳态冷却空气流动路径简化下遮光罩几何研究的速度分布和温度分布是使用simpisoSTAR-CD模拟求解。在两种场景下移动和固定边界条件进行试验研究确定；边界条件是热源表面温度（即发动机，变速箱，排气歧管的水库，和热交换器）。在风洞试验的数值模型进行了验证。在发动机罩下的其他组件被假定为绝热[7]。建立了一种计算流体力学模型，用以最小化散热器罩内的空气再循环，从而最大限度地提高了散热器的流量，提高了散热器的效率。他用袢和TGrid的表面和体网格划分，分别。作为一个多孔介质模型的散热器内的压力下降[8]为蓝本的散热器。用通道[9]计算了散热器和空气温度的速度。针对其他应用，设计了一种用于重型汽车使用计算流体力学的重型汽车的冷却风扇和热屏蔽，并对风机和换热器之间的距离进行了优化设计。几个几何修改在STAR-CDCFD模型进行改善空气流动的方法中冷器[11]。另一方面，结合CFD和流程而不是单一的CFD模型，网络模型被运用到模型罩空气流动路径[12]下。有意义的调查对计算程序进行实施在维特斯。研究的发动机舱热管理和建议的程序提供准确的瞬态预测大幅减少计算时间[13,14]。一些研究人员使用的StarCCM为CFD平台后期冲压空气压力，模拟格栅、换热器、冷却风扇罩、机舱限制和定位的出口。他们强调的三个主要方面，这是多孔介质模型的热交换器，风扇建模和系统建模[15]。为了节省实验时间和原型成本，计算流体力学的主要选择，以测试任何创意和创新的自动前端设计。在另一项研究中，共有22筋膜设计在计算流体力学软件（流利）。CFD预测与辐射带特定消[16]实验测量结果比较。一些研究人员测试了计算流体力学汽车前端设计中的应用。他们模拟一个计算流体力学模型，以达到三个最终目标，这是动力火车冷却，车辆的空气动力学和气候控制[17]。在一些文献中，一维热流体模拟是反映冷却液路径系统效应的一种最为反映系统效果的选择。一些研究人员模拟空气流动和冷却液流量基于一维热流体模拟，与软件KULI。流模型是基于网络流理论，它允许复杂的冷却电路的建设[18]。一些研究利用AMESim软件对系统进行分析，为发动机冷却系统的冷却液，主要流路[19]。该方法将三维CFD模型（即流利，STAR-CD，维特斯，StarCCM，潮流和cool3D）一维热工流体系统模型（即库里，Flowmaster，Dymola，GT酷）是相当有趣的。三维流体力学模型能反映换热器（即冷凝器或散热器）正面冷却空气的非均匀速度分布。利用一维热流体系统模型作为发动机冷却系统或汽车空调系统的系统性能计算。基本上，它涉及到一个过程的模型交换的边界条件，直到他们相互衔接。三维CFD模型的边界条件给一维热流体模型，如对流系数、速度和流体温度。另一方面，一维的流体模型将用边界条件，如热抑制空气的流体模型来计算流体力学模型。图2详细阐述了如何将2个数值模型的集成，以及如何通过交换边界条件的整个模型。一个程序是讨论关于CFD模型使用杠杆整合（气流）和一维热流体模型（冷却液流量、油流量）汽车热管理研究[20]。的作用下，对交流系统的性能评价罩回流流动耦合功率流和Dymola的[21]。另一方面，CFD模型的建立是用cool3d和热流体模型使用GT酷了。利用集成模型对发动机冷却系统进行了研究。在凝汽器的冷却空气流量，基于行业的专家集成模型和FlowmasterSTAR-CD[23]为旅客舱冷却分析[24]。最后，综合模型的CFD模型，采用Fluent（油烟机风量下）和使用Flowmaster热流体模型（润滑和冷却回路）的建立是为了罩热分析[25]在研究。研究人员还集成模型的流畅，汽车空调冷凝器分析包括空气流量接近[26]STAR-CD和KULI。一个程序也被描述为库里将CFD模型。研究人员强调，一维热水力模型给出了分析分流模式或非均匀气流速度分布的可能性。在一维模型（库里），换热器会以这样一种方式，它是划分成多个矩形段建模。在每一段，一个虚构的流动阻力会根据CFD分布[27]确定。所有患者说明以上的三维CFD模型，后者是一维热流体系统模型。在模型的耦合，一个富有成果的和完整的冷却/空调系统的分析，可以进行不同的方案。值得一提的是，它没有必要对整个系统进行三维仿真。通过耦合的一维和三维模型，它是最好的方法，得到的优点，从一维和三维建模。在某些情况下，研究人员还包括有限元分析热模型/温度模型（除了CFD和热工流体模型）考虑所有三种传热，这是传导、辐射和对流。这发生在传导和辐射的影响是显着的对整个系统。流体对流换热的计算。热模型将提供部件的壁温作为各自的冷却空气的CFD模型的边界条件。作为回报，计算流体力学模型对流系数（H）和流体膜温度（tfluid）作为边界条件热模型，因为对流热（小时）是从两个模型的共同输出。从计算流体力学模型和热模型的对流热的值差将决定的耦合模型的收敛。通过模型之间的边界条件的交换，它可以确保高精度的解决方案，从这两个模型。在引擎盖下的热分析，利用百万镇和posrad用STAR-CDCFD模型的热模型的耦合进行了说明。在模型中，六个单位的热交换器被认为[28]。除了耦合的冷却空气流体力学模型与一维系统模型，研究人员开发了一个二次流体力学模型的客舱内的空气流量。为了包括辐射和传导的影响，第二CFD模型，再加上使用特修斯热模型。从实验中得到的初始边界条件的热模型，这是一个风洞试验。总之，双流体模型，一个热模型和一个热流体系统模型的开发，以解决一个单一的问题[24]。在战斗车辆交流绩效评价，研究者还加上基于体积的CFD模型（罩冷却空气和客舱下）与壳牌基于缪斯热模型。一个详细的耦合过程是通过交换边界条件[29]阐述。空气流场的分析在一栋楼里，研究人员追踪的耦合能量系统模型和CFD模型[30]。3.引擎盖下冷却空气有2个主要的能源来源，有助于冷却空气流过下引擎盖，一个是内存的空气，另一个是散热器风扇。对于车辆在高速行驶时，冷却空气流动的主要驱动力是冲压空气。对于低速行驶的车辆，冷却空气的主要驱动力是散热器风扇。冲压空气从良好的静压力梯度引起的流动驱动力是汽车正面开放的入口和底部之间。为自由流的空气接近正面的开口，空气速度和动态压力降低而静压力的增加，为了保持相同的总压力（伯努利法）。静态压力是最高的一个停滞点之前正面开口（流体速度为零）。另一方面，空气加速由于文丘里效应（下部的横截面积，更高的速度）运动低静压车底。同时，电风扇，作为动力来源，所产生的静压力跳跃并通过风扇的空气流动的总压跳。风扇在空气中工作，通过给予空气既静态和动态的能量。木莓[31]强调外部空气流和内部气流之间的相互作用的重要性。他说，这种相互作用的两个接口是正面开发动机湾小。他定义了一个格栅系数（kgrille）作为自由流总压是通过格栅将分数，方程组（2）。格栅损失系数（Kloss）进行归一化总压差在格栅与自由流动态压力得到。实验方法研究总压损失在格栅与空气流速的关系，车速和正面开放，布局应用。另外，格栅系数可能是前压为一个函数的平均流速的比率，在面对散热器的自由流速度和比的散热器面面积的入口面积[31]。另一个研究者定义了一个内存压力系数（Kram）RAM压力在放射器平均动压归一化，方程组（3）。需要注意的是，静压差代替总压差在他的配方很重要。这是由于假设内部流平均风速是相似的，因此总压差为等效静态压差[32]。此外，一些研究提供了显着的见解和基本暴露在车辆冷却空气流量[33，35]。最后，图3显示了汽车发动机罩的主要部件，这可能会影响气流模式。图4显示的压力发展，空气流经发动机罩[26]。图5显示了每一个组件的压力定义，便于方程推导后来[33]。5.水上的热传导在2006，在水夹克的传热参数研究的研究完成[36]。烟气侧对流换热系数（HG）是使用Annand和woschini计算方程，方程（4）。冷却液侧对流换热系数（HC）的计算与测量气体温度（Tg），气侧壁温度（Tw，G），冷却剂侧壁温度（Tw，C）和冷却液温度（TC），方程（5）。在气缸压力的增加，气缸内温度的增加，气体的速度和减少的气体侧系数。尽管气体侧温度（不利影响系数）的增加，气体侧压力的增加对气体侧的传热系数的影响占主导地位。结果表明，发动机的转速和压缩比的影响更明显比其他发动机参数。同时，发动机速度和过剩空气对冷却液侧对流系数的影响更为严重。同时，很高的制冷剂侧的系数是依据沸腾[36]。在1000转，烟气侧对流换热系数是1097瓦/平方米K，制冷剂侧的对流系数为4263W/m2K.热电阻是对流系数的倒数