电动汽车前端冷却模块倾斜角度的研究.pdf

第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023文章编号:0253-4339(2023)05-0106-10doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2023.05.106电动汽车前端冷却模块倾斜角度的研究刘家瑞1 历 珂2 尤韦娜1 于吉乐1(1 上海爱斯达克汽车空调系统有限公司 上海 200093;2 泛亚汽车技术中心有限公司 上海 200093)摘 要 本文以电动汽车前端冷却模块为研究对象,建立了倾斜角度为 0、15、30、45、60的低温散热器模型,对其性能进行了数值模拟,并通过实验进行了验证,结果表明:相同流速下,倾斜角度越大,低温散热器的换热性能越好,阻力越大,综合性能越差。通过固定进气格栅位置,建立了不同倾斜角度的带有导流罩壳的低温散热器模型进行了模拟和分析,随着倾斜角度的增大,罩壳阻力降低,低温散热器的风量分布均匀性和换热性能提高,但阻力增大,综合性能变差。通过优化罩壳结构,提高了风量均匀性,降低了罩壳和低温散热器的阻力,改善了换热性能,倾斜角度越大,冷却模块综合性能越好,综合考虑前舱布置得到倾斜角度在 4560区间更具应用性。关键词 冷却模块;罩壳;倾斜角度;性能;强化传热系数;风量分布中图分类号:U469.72;U464.138文献标识码:AStudy of Inclination Angles on EV Front-end Cooling Module Liu Jiarui1 Li Ke2 You Weina1 Yu Jile1(1.ESTRA Automotive Air-Conditioning Systems(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai,200093,China;2.The Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai,200093,China)Abstract On the front-end cooling module of electric vehicles(EVs),geometric models of the low-temperature radiator(LTR)with inclination angles of 0,15,30,45,and 60 were established and numerically simulated.At the same flow rate,the larger the inclination angle,the better the heat transfer of the LTR,the higher the resistance,and the lower the comprehensive performance,as verified by the test results.By fixing the position of the air-inlet grille,geometric models of the LTR with a shroud at different inclination angles were established for simulation.With an increase in the inclination angle,the shroud resistance decreased;the airflow distribution uniformity and heat transfer performance of the LTR were improved;the resistance increased,and the comprehensive performance decreased.By optimizing the shroud structure,the flow distribution was improved;the flow resistances of the shroud and LTR were reduced,which led to improved heat exchange.It was concluded that the larger the inclination angle,the better the comprehensive performance of the cooling module.Comprehensively considering the arrangement of the front compartment,an inclination angle between 45 and 60 was more applicable.Keywords cooling module;shroud;inclination angle;performance;enhanced heat transfer;airflow distribution 收稿日期:2022-09-15;修回日期:2022-12-06 经济发展的现阶段,低碳经济成为我国发展的主要方向,新能源汽车由此应运而生1。新能源汽车的电池取代了传统燃油车的发动机成为核心部件,新能源汽车的前舱也发生了相应变化:追求更优的空气动力学使前舱的造型更加流线2,进气格栅也愈发紧凑3,王琪等4-5研究表明调整进气格栅形状和尺寸对于提升前舱的进气效率和散热能力十分关键;逐渐在格栅与冷却模块之间增加罩壳用来导风。罗雪香6的研究表明,对冷却模块增加导流风罩,可增大进气量,降低前舱温度,提高整个冷却模块的效率;对于冷却模块,用于电池冷却的低温散热器替代了用于发动机冷却的高温水箱,并逐渐形成了低温散热器加冷却风扇的组合形式。前舱布局如图 1 所示,前舱的变化使冷却模块的空间(x 和 z 向)受到限制,对冷却模块的安装提出了新的要求。郭震等7研究了散热器安装倾角和安装位置的关系,认为倾斜角度 30以内时,适当调节安装角 度 和 安 装 位 置 可 以 改 善 散 热 器 的 风 量。M.H.Kim 等8研究了换热器不同倾斜角度的性能,表明倾斜角度对换热性能的影响较小,而对阻力影响较大。Tang Linghong 等9研究了翅片管式散热器不同倾角下的性能,表明倾斜角度为 45时性能最佳,90时阻力最小。I.J.Kennedy 等10的研究表明散热器倾斜角度 60比 0的性能提高 1.5%,且随倾601第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动汽车前端冷却模块倾斜角度的研究Vol.44,No.5October,2023斜角度的变化,散热器表面的低流速中心发生偏移。H.Lisa 等11研究了进风和散热器呈 90和 30的气动性能,结果表明散热器流速不变,改变倾斜角度与气动阻力基本无关。图 1 汽车前舱布局Fig.1 Vehicle front-end layout目前,新能源汽车正处于发展的上升期,针对格栅和冷却模块相对位置的研究相对较少,采用倾斜安装冷却模块的车型更是十分罕见。本文根据新的形势和新的要求,分别研究了冷却模块不同倾斜角度(与垂直方向夹角)的性能,并通过实验验证了模拟仿真的可靠性。进一步研究了固定格栅位置后,冷却模块变倾斜角度的性能变化,并提出了优化的罩壳设计,为新能源汽车冷却模块的布置和导流罩壳的设计提供了参考。图 2 低温散热器几何模型Fig.2 LTR geometrical model1 冷却模块倾斜角度的数值模拟与实验1.1 数值模拟模型1.1.1 几何模型与网格划分 纯电动汽车的冷却模块由低温散热器和风扇组成,低温散热器位于风扇前部,风扇不受进风角度的干扰,故忽略冷却风扇,仅保留低温散热器进行分析。低温散热器几何模型如图 2 所示,以某低温散热器为研究对象,采用 Space Claim 软件建立了倾斜角度分别为 0、15、30、45、60的几何模型,由于实际低温散热器 64 根翅片会导致网格划分数量过多,计算要求过高,因此模型仅截取了 10 根翅片区域,模型的几何参数如表 1 所示。采用 ANSYS Meshing 进行网格划分,对于低温散热器采用多面体网格,对于其他区域则采用结构化网格。网格无关系性验证结果表明,网格尺寸达到 0.5 mm 时,平均努塞尔数几乎不再变化,因此,网格尺寸 0.5 mm 满足模拟精度的要求。表 1 几何模型参数Tab.1 Parameter of the geometrical model水箱尺寸/mmmm翅片数量/mm翅片宽度/mm翅片高度/mm翅片节距/mm翅片间距/mm7007210205.552.27.21.1.2 数学模型 采用 ANSYS Fluent 进行求解,对于单相不可压缩流体,满足连续性方程、动量方程和能量方程,采用k-湍流模型,采用速度入口和压力出口条件,外部边界设置为无滑移速度边界,翅片和扁管的表面设置为恒温壁面,其他均设置为绝热壁面。此外,采用分离式求解器隐式求解,压力与速度耦合采用 SMPLE方法,离散化为二阶迎风模式12。1.2 模拟分析1.2.1 模拟结果分析 采用低温散热器迎面风速分别为 1、2、3、4、6 m/s,进口温度为 30,壁面温度为 50 的工况条件进行模拟,模拟结果如表 2 所示,表中性能换算为实际尺寸下的性能。分析可知,随着倾斜角度的增大,换热量和风阻均逐渐增大,其中,换热量的增幅较小,与倾斜角度 0相比,倾斜角度 60的换热量仅增加 0.9%1.3%,而阻力增加 6.6%10%。图 3 所示为 2 m/s 迎面风速下翅片流道的速度矢量图,观察可知,随着倾斜角度的增大,进风速度方向与翅片长度方向的夹角增大,进风会首先冲击扁管壁面而后发生换向,由图 4 所示风侧湍流强度的变化可知,湍流强度逐渐增大,湍流强度的增大使翅片流道内的扰动更强烈,加强了对流换热能力,但同时导致风阻增大。1.2.2 综合性能评价 强化传热系数是一种应用较为广泛的性能综合评价标准13,能够较为准确地反映强化传热的综合性能,如式(1)所示,强化传热系数 1 表明换热得到强化,综合性能提升,1,所有 在 11.01 范围内,说明具有倾斜角度时,综合性能会有所提升,且倾斜角度越大提升越大,但提升幅度不显著。图 11 带导流罩壳的低温换热器强化传热系数Fig.11 Enhanced heat transfer coefficient of LTR with shroud2.3 风量均匀性分析2.3.1 风量均匀性分析 分析罩壳的矢量图 9 可知,带格栅后低温散热器的迎风面上的风速差异较大,风量分布的不均匀容易导致换热性能的下降和阻力的增加,因而有必要对低温散热器各翅片流道内的风量进行分析。图 12 所示为 25 m/s 进风风速下风量的分布情况,观察可知,倾斜角度为 0的风速差异最大,而倾斜角度为 60的差异最小,靠近格栅异侧的流速差异较大,而上部区域的流速相对平均。图 12 翅片流道内的风量分布Fig.12 Airflow distribution of air center channel采用量化单相流动的风量分布均匀性的评价参数相对标准方差17-18来进行风量均匀性评价,该值越接近于 0,表明风量分布越好,表达式为:S=1n-1ni=1qi-qq()2(2)式中:S 为相对标准差;qi为单风量,kg/s;q 为平均风量,kg/s;n 为流道数。计算结果如图 13 所示,分析可知,相同倾斜角下,随流速的增大,相对标准差增大,均匀性变差,相同流速下,随着倾斜角度的增大,相对标准差减小,均匀性变好,且倾斜角度为 0时均匀性最差而 60时最好。2.3.2 风量均匀性对低温散热器性能的影响 带格栅和不带格栅(风量均匀分布)的换热性能对比结果如图 14 所示,换热比为带格栅低温水箱换热量与不带格栅低温水箱换热量的比值,由图 14 可知,换热性能上,带格栅比不带格栅低 0.7%2.4%,在相同流速下,倾斜角度为 0的差异最大,随倾斜角度的增大,差异变小,性能逐渐改善,倾斜角度为 45111第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023图 13 相对标准差Fig.13 Relative standard deviation图 14 换热性能对比Fig.14 Comparison of heat transfer performance和 60时,性能基本一致;在相同倾角下,随流速的增大,差异变大,性能变差。图 15 风阻对比Fig.15 Comparison of air pressure drop带格栅和不带格栅的风阻对比结果如图 15 所示,风阻比为带格栅风阻和不带格栅风阻的比值,风阻上带格栅比不带格栅高 3.7%8.6%,相同流速下,倾斜角度为 0的差异最大,随倾斜角度的增大,差异变小,风阻降低;相同倾角下,随流速的增大,差异变大,风阻变大。且分布不均匀对倾斜角度为 0的影响最大,换热性能下降最大且风阻增加最大,对倾斜角度为 60的影响最小。3 优化设计 风量分布不均匀性是造成换热性能下降且风阻升高的主要原因,需要对导流罩壳进行优化。3.1 罩壳造型的设计 根据原始罩壳的速度云图(图 16),将进风在罩壳中的主流动区域作为新罩壳的边界,即低流速(深蓝)和高流速(浅蓝)所形成的曲面,作为罩壳的上边界。目的在于,压缩罩壳内的流动空间以减少旋涡的产生,同时,曲面设计可以对进风进行导流,改善风量分配的均匀性。图 16 罩壳优化设计Fig.16 Shroud optimization图 17 罩壳速度矢量图Fig.17 Vector of the shroud3.2 数值模拟分析3.2.1 罩壳阻力分析 优化罩壳后的速度矢量图如图 17 所示,罩壳上部区域几乎不存在旋涡,罩壳底部区域仍存在少量旋涡,但随倾斜角度的增大,旋涡逐步减小并消失。优化后的罩壳阻力如表 8 所示,相同风速下,随倾斜角度的增大,压升逐渐增大。罩壳优化前后的阻力对比如图 18 所示,由图可知,倾斜角度越小,压升改善比例越大,倾斜角度为 0的压升可达优化前的2.2 2.6 倍,说明新设计对罩壳阻力的改善效果显著。211第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动汽车前端冷却模块倾斜角度的研究Vol.44,No.5October,2023表 8 优化后的罩壳阻力Tab.8 Shroud resistance with optimized shroudPa风速(m/s)0153045609-20.3-21.3-23.0-24.6-25.816-72.4-74.1-80.0-83.3-84.725-180.9-185.7-197.4-207.7-212.336-382.2-397.1-411.8-435.0-448.23.2.2 低温散热器性能分析 优化罩壳的低温散热器性能如表 9 所示,与优化前相比,换热量有所提升,但提升幅度仅为 0.3%1.3%。而压降则有所下降,降幅为 1.7%5.1%,且倾斜角度越小,压降降幅越大,倾斜角度为 0的可下降 4.1%5.1%。计算可得优化罩壳后的强化传热系数如图 19 图 18 罩壳优化前后的阻力对比Fig.18 Shroud resistance comparison before and after optimization所示,围绕 1 波动,差异小于 1.0%,说明优化罩壳后,各倾斜角度下低温散热器的综合性能几乎相当,但总体上,倾斜角度越大,综合性能越差。表 9 优化罩壳的低温散热器性能Tab.9 LTR performance with optimized shroud风速/(m/s)015304560换热/W压降/Pa换热/W压降/Pa换热/W压降/Pa换热/W压降/Pa换热/W压降/Pa95 48514.55 49914.75 51314.85 53715.15 54815.4169 43947.09 48547.59 49947.99 53949.19 57549.72514 20998.414 25399.514 306101.014 378103.214 433104.63619 682174.519 759178.319 838180.919 932185.120 003188.7图 19 优化罩壳后的强化传热系数Fig.19 Enhanced heat transfer coefficient with optimized shroud3.2.3 风量均匀性分析 低温散热器的风量分布如图 20 所示,由图可知,虽然底部靠近格栅侧的风量差异仍然较大,但对各流道间最大和最小风量的改善十分显著,倾斜角度为0的改善最大,最大风量降低 29%,最小流量提高55%。相对标准差结果如图 21 所示,分析可知,相同倾斜角下,随流速的增大,相对标准差增大,相同流速图 20 翅片流道内的风量分布Fig.20 Airflow distribution of air center channel下,随倾斜角度的增大,相对标准差减小,说明倾斜角度为 0的风量均匀性最差,倾斜角度为 60的最好。与罩壳优化前相比,倾斜角度为 0时,优化后的相对标准差可降低 50%,而随着倾斜角度的增大,相对标准差降幅逐渐减小,说明罩壳优化后可以有效提高风量的分布均匀性,并且更有利于改善倾斜角度较小的流量均匀性。与不带格栅的相比,相同倾斜角度下,换热性能低 0.4%1.1%,而风阻高 2.0%311第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023图 21 相对标准差Fig.21 Relative standard deviation4.3%。这也说明格栅的存在对低温散热器性能的影响不可避免。3.3 冷却模块倾斜角度的综合性能分析 冷却模块的风扇不变,影响模块阻力变化只有罩壳和低温散热器。将罩壳视为冷却模块的组成部分来评价整个模块的综合性能,此时的阻力为罩壳和低温散热器的阻力之和,换热性能为低温散热器的性能。冷却模块的阻力(压升为负值)与性能的曲线如图 22 所示,观察可知,相同换热量下,倾斜角度越大,压升越大,阻力越小。图 22 冷却模块性能曲线Fig.22 Cooling module performance curve采用强化传热系数法进行综合性能评价,得到图23 所示冷却模块的强化传热系数,倾斜角度为 0的=1,相同风速下,随倾斜角度的增大,系数逐渐增大,相同倾斜角度下,随风速的增大,几乎不变。说明增大倾斜角度,可以显著提升冷却模块的综合性能,倾斜角度为 60综合性能最好,同时也说明,改变风速几乎不会影响冷却模块的综合性能。在实际汽车前舱布置时,需要考虑前舱的空间并兼顾乘员舱的空间,因而前舱纵向(x 向)也会受到限制。实际选取时,由于倾斜角度为 45的综合性能与倾斜角度为 60的十分相近,并且兼顾到前舱 x 向空间布局,因此倾斜角度在 4560区间内更具有可应用性。图 23 冷却模块的强化传热系数Fig.23 Enhanced heat transfer of cooling module4 结论 本文建立了不同倾斜角度的却模块模型进行仿真和实验,分别对比和分析了不带格栅、带有格栅和导流罩壳的冷却模块的性能,并优化了罩壳,得到如下结论:1)冷却模块的倾斜放置会对低温散热器的性能产生影响,随倾斜角度的增大,换热性能提高,而阻力变大,综合性能变差。倾斜角度为 60的换热性能比倾斜角度为 0时增加 0.9%1.3%,阻力增加 6.6%10%,综合性能下降 1.2%1.8%。2)固定格栅位置并采用罩壳导流,随倾斜角度的增大,导流罩壳阻力减小,压升变大,倾斜角度为60可达到倾斜角度为 0的 2.7 倍,低温散热器换热性能提高,综合性能变好,倾斜角度为 60比倾斜角度为 0性能高 1.8%2.5%,阻力增大 3.7%5%,综合性能提升 0.7%1.2%。3)与不带格栅相比,带格栅低温散热器的换热性能与阻力均变差,且倾斜角度为 0的换热性能下降最大,达到 2.4%,而阻力增幅最大,达到 8.6%,风量分布不均匀是主要原因。4)导流罩壳优化后可有效降低阻力,且倾斜角度越小越明显,倾斜角度为 0的可达优化前的 2.22.6 倍。低温散热器的换热性能提高 0.3%1.3%,且阻力下降 1.7%5.1%,此时综合性能几乎相当。但与不带格栅的均匀分布相比,格栅对低温散热器性能的影响不可避免,相同倾斜角度下,优化后换热性能仍低 0.4%1.1%,风阻高 2.0%4.3%。5)将优化后罩壳和低温散热器进行综合性能分析,得到倾斜角度越大,综合性能越好的结论,倾斜角度为 45最大可提高 4.8%,倾斜角度为 60最大可提高 6.0%。综合考虑前舱空间布置,认为倾斜角度在4560区间更具可应用性。本文受上海市浦东新区科技发展基金专项(PKX2019-411第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动汽车前端冷却模块倾斜角度的研究Vol.44,No.5October,2023R15)资助。(The project was supported by the project of Shang-hai Pudong New Area Science and Technology Development Fund(No.PKX2019-R15).)参考文献1 李猛.新能源汽车技术发展的挑战机遇和展望J.山东工业技术,2019(8):247.(LI Meng.Challenges,opportunities and prospects of new energy vehicle technology development J.Shandong Industrial Technology,2019(8):247.)2 李丰勤,杨勇,张万鑫.汽车空气动力学发展综述J.汽车文摘,2022(11):51-56.(LI Fengqin,YANG Yong,ZHANG Wanxin.A review on technology develop-ment for automobile aerodynamicsJ.Automotive Digest,2022(11):51-56.)3 代亚君,赵晶琦,刘凯悦.汽车格栅造型设计影响因素研究J.天津科技,2021,48(7):123-126,129.(DAI Yajun,ZHAO Jingqi,LIU Kaiyue.Research on influencing factors of automobile grille styling designJ.Tianjin Science&Technology,2021,48(7):123-126,129.)4 王琪,于明进,黄万友,等.基于 FLUENT 的汽车出风口和进气格栅对发动机舱温度场分布的影响J.山东交通学院学报,2016,24(1):1-6,39.(WANG Qi,YU Mingjin,HUANG Wanyou,et al.Influence of car outlet and inlet grille on temperature field distribution of engine compartment based on FLUENT J.Journal of 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