01-19考虑排气内流的发动机舱热管理分析及优化

CD-adapco2015中国用户大会论文集考虑排气内流的发动机舱热管理分析及优化吴敏，朱贞英，朱凌，门永新（吉利汽车研究院有限公司，杭州311228）摘要：本文利用STAR-CCM+软件建立包含排气内流的发动机舱热管理CFD分析模型，结合热管理试验值标定模型精度，分析及优化传动轴防尘罩周边温度分布，解决了传动轴防尘罩过热的问题，并通过试验进行了验证。关键词：机舱热管理排气内流CFD0前言现代汽车的机舱空间越来越小，同时增压发动机的应用导致机舱内零部件不断增加，给机舱布置和热管理带来新的挑战。机舱内部尤其是排气系统附近很高，同时该区域又存在大量橡胶件和塑料件，如发动机悬置、各种管路及线束等。这些零部件如果长期工作在温度过高的环境下，很容易出现老化、失效甚至是火烧车的事故。同时，受市场及政策引导，发动机向着小型化、增压化的方向发展，导致排气系统的温度更高，机舱热害风险也明显增加。如何降低增压车型的机舱热风险成为热管理工程师关注的焦点。传统的机舱热管理CFD分析时排气系统的温度通常采用发动机台架试验或整车热平衡试验测得的表面温度。该方法较简单，但受试验条件的限制，有限个测点数量无法准确描述整个排气系统的温度分布情况，从而影响机舱热管理分析的精度。本文通过建立排气管内部流场模型，同外部流场进行耦合，计算出排气管表面温度分布，并通过热热管理试验值对模型进行标定，能更准确的描述排气系统温度分布，从而提高了机舱热管理分析的精度。最后，采用标定好的模型对某增压车型进行了机舱热管理分析及优化，解决了传动轴防尘罩过热的问题，并通过试验进行了验证。1模型建立发动机舱热管理CFD分析模型如图1-图4所示。整车体网格采用Trimmer+PrismLayerMesher模型划分，并对机舱及车底进行了网格加密，网格总数为1180万，如图5所示。图1机舱及动力总成模型CD-adapco2015中国用户大会论文集图3散热元件模型图4冷却风扇模型图5机舱体网格模型同时，建立排气管内流区域模型。入口选为涡轮增压器出口，给定流量和温度，体网格采用PolyhedralMesher+PrismLayerMesher模型划分，网格总数为12万，如图6所示。排气管内流区同排气管固体区通过interface进行热交换。为了考虑隔热罩固体导热，将各隔热罩划分体网格，采用ThinMesher模型，网格总数为50万，如图7所示。图6排气内流区域体网格模型图7隔热罩体网格模型2模型标定机舱热管理CFD分析所需的输入参数较多，如各散热元件发热量、材料的导热系数、表面发射率等。机舱热管理分析精度主要取决于散热器出风温度和排气系统温度。散热器出风温度影响机舱整体热环境，排气系统温度则对其周边件温度影响较大。但分析时往往难以获得全部参数，因此，为了提高分析精度，需结合热管理试验值标定仿真模型。本文的标定过程包括散热器出风温度标定和排气系统温度标定。CD-adapco2015中国用户大会论文集2.1散热器出风温度标定该车散热元件包括中冷器、油冷器、冷凝器和散热器。散热元件发热量来源于台架试验，但对应分析工况的发热量仍难以准确获取。散热器出风温度标定过程主要是调整各散热元件发热量，使散热器出风温度同热管理试验值尽量一致，标定结果如图8、图9所示。图8散热器出风面温度分布图图9散热器出风面温度标定2.2排气系统温度标定排气系统温度标定过程是通过调整排气温度、各部件表面发射率和材料导热系数，使排气管和隔热罩表面选取的12个测点的仿真温度和测试温度尽量一致，如图10、图11所示。可以看到，标定值和测试值总体差别较小，仅测点4温度相差较大。结合上下游测点温度可见，测点4的温度明显不合理，因此可以认定是测点4的测试值出现问题。图10排气系统标定测点图图11排气系统温度标定CD-adapco2015中国用户大会论文集3分析及优化3.1原状态分析原车在爬坡工况热管理试验过程中出现了传动轴防尘罩烤化的情况，因此需要对其进行优化。传动轴防尘罩与排气管距离较近，通过CFD分析可见，其附近环境温度很高，同时还受排气管热辐射影响，导致其最高温度远高于材料耐温极限，如图12-图15所示。图12传动轴防尘罩模型图13机舱截面温度分布图图14传动轴防尘罩温度图图15传动轴防尘罩温度对比3.2优化方案分析采用的优化措施是在传动轴防尘罩上方增加一隔热罩，如图16所示。从图17可以看出，隔热罩挡住了传动轴防尘罩上方的热气流，降低了其环境温度。同时，隔热罩阻挡了排气管对传动轴防尘罩的热辐射，使其表面温度大幅降低，满足使用要求，如图18、图19所示。图16隔热罩模型图17机舱截面温度分布图图18传动轴防尘罩温度图图19传动轴防尘罩温度对比CD-adapco2015中国用户大会论文集3.3试验验证由于传动轴防尘罩是运动件，无法直接测得其表面温度，只能测试其环境温度。从图20可见，其环境温度低于耐温极限。对比图20和图17可见，传动轴防尘罩环境温度分析值同测试值基本一致，验证了仿真模型的正确性。并且优化后传动轴防尘罩热管理试验时工作正常，未出现烤化现象。图20传动轴防尘罩环境温度测试4结论1、机舱热管理分析的精度主要取决于散热器出风温度和排气系统温度。本文通过建立排气内流模型、并通过试验值对散热器出风温度和排气系统温度进行标定，提高了机舱热管理分析模型的精度。2、针对原车传动轴防尘罩过热的问题，利用标定好的模型进行了分析及优化，成功解决了该热害问题，并通过试验进行了验证，取得了良好的效果。参考文献[1]杨世铭,陶文铨传热学.北京:高等教育出版社,2006[2]梁长裘等.自主品牌汽车发动机舱热管理CFD分析研究.cdadapco2013中国用户大会,2013[3]Cdadapco帮助文档