基于CFD的汽车发动机舱热管理及优化策略_张效庆.pdf

2 0 2 3年第8期技术创新与应用基于C F D的汽车发动机舱热管理及优化策略张效庆,潘晓华,赵长莉(枣庄职业学院,山东 枣庄 2 7 7 8 0 0)摘 要:为全面准确研究揭示与汽车发动机舱相关的热管理问题,设计形成并且具体运用与汽车整体开发工作流程相契合的发动机舱管理工作模拟分析技术流程,旨在为相关领域的研究人员,以及一线技术工作人员,创造并且提供扎实且有效的经验参考支持条件。关键词:汽车发动机舱;C F D软件程序;热管理;优化策略 中图分类号:U 4 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 5 2-0 3T h e r m a lM a n a g e m e n t a n dO p t i m i z a t i o nS t r a t e g yo fA u t o m o b i l eE n g i n eC a b i nB a s e do nC F DZ h a n gX i a o-q i n g,P a nX i a o-h u a,Z h a oC h a n g-l i(Z a o z h u a n gV o c a t i o n a lC o l l e g e,S h a n d o n gZ a o z h u a n g2 7 7 8 0 0)A b s t r a c t:I no r d e r t oc o m p r e h e n s i v e l ya n da c c u r a t e l ys t u d ya n dr e v e a l t h e t h e r m a lm a n a g e m e n tp r o b l e m s r e-l a t e d t o t h e a u t o m o b i l e e n g i n e c o m p a r t m e n t,t h e e n g i n e c o m p a r t m e n tm a n a g e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i s t e c h n o l o g yp r o c e s s t h a t i s c o n s i s t e n tw i t ht h eo v e r a l l a u t o m o b i l ed e v e l o p m e n tw o r k f l o wi sd e s i g n e d,f o r m e da n ds p e c i f i c a l l ya p p l i e d,a i m i n g t oc r e a t e a n dp r o v i d e s o l i da n de f f e c t i v e e x p e r i e n c e r e f e r e n c e s u p p o r t c o n d i t i o n s f o r r e s e a r c h e r s i nr e l a t e df i e l d sa n df r o n t-l i n e t e c h n i c a l s t a f f.K e yw o r d s:A u t o m o b i l e e n g i n e c o m p a r t m e n t;C F Ds o f t w a r ep r o g r a m;T h e r m a lm a n a g e m e n t;O p t i m i z a t i o ns t r a t e g y作者简介:张效庆(1 9 8 0)男,山东省菏泽人,汉族,本科,副教授,研究方向:汽车。0 引言在现代汽车产品设计开发工作实施过程中,普遍选择采用的同时具备“低车身”特征和“小型化”特征的流线型发展趋势,引致汽车产品发动机舱内部的空间尺寸越来越窄小,同时还导致汽车产品各类零部件的安装配置位置越来越接近;而针对增压+缸内喷技术方法、分层燃烧技术方法、双离合变速器(d u a l c l u t c ht r a n s m i s s i o n,D C T)技术方法等种类多样的新型技术方法在汽车产品生产制造活动过程中的引入运用,则会导致汽车产品发动机舱内部安装配置的附属零件数量显著增加,继而在汽车发动机设备实际运行过程中产生并对外释放较多热量,最终导致汽车产品发动机舱内部呈现出温度过高问题。遵照目前已经获取的技术性工作经验,在汽车发动机舱内部的散热环境条件发生严重恶化后,通常会显著破坏汽车发动机设备的运行技术性能,且还会同时导致燃油消耗数量增加问题、尾气排放恶化问题,以及功率扭矩降低问题等。鉴于上述分析可以知晓,围绕汽车发动机舱的热管理问题,应当在针对汽车产品开展整体设计的初期阶段及时做好全面性的发现归纳与解决处置环节,继而避免在汽车产品设计开发工作的后期时间阶段发生项目变更问题,改善提升汽车产品设计开发工作环节的实施效率,降低其经济成本投入水平。1基本控制数学方程与湍流技术分析模型选取1.1 基本控制数学方程源于汽车产品发动机舱内流场技术环境的气体物质流动速度处在相对较低水平(M a 1.0 0),且其密度变化幅度相对较小,客观上将其等同认定成粘性定常不可压流体物质。在围绕汽车产品发动机舱展开计算分析求解工作环节过 程 中,实 际 需 要 运 用 的 基 本 控 制 数 学 方 程 主要有:质量守恒数学方程:d i vv=0(1)动量守恒数学方程:vi t+d i v(v vi)=d i v(g r a vi)p t+Si(2)在公式(1)和公式(2)中,v表示的是平均速度技术参数项目;表示的是流体密度技术参数项目;vi表示的是平均速度技术参数项目在3个坐标轴之上形成的分量;表示的是流体物质运动粘度技术参数项目;p表示的是流体微元体上的压强技术参数项目;Si表示的是基于三个空间方向之上动量守恒数学方程的广义源项,对于汽车发动机舱内流场技术环境而言,有取值Si=0。以温度技术参数项目作为代表性变量的能量守恒数学方程:(T)T=d i v(v T)=d i vkcpg r a dT+ST(3)在公式(3)中,T表示的是温度技术参数项目;k表示的是汽车产品发动机舱内流体物质的传热系数技术参数项目;cp表示的是比热容技术参数项目;ST表示的是流体物质的粘性耗散项技术参数项目。25DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.001内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n1.2 湍流技术分析模型在基于剪切应力输运(s h e a rs t r a i nt r a n s p o r t,S S T)技术机制的k-两方程涡粘湍流技术分析模型之中,不仅涉及包含k-技术分析模型在外部区域计算处理方面的基本技术优点,还同时具备k-技术分析模型基于近壁面技术位置模拟分析过程所具备的鲁棒性优势和高精确度优势,客观上更加适宜开展具备复杂化湍流技术过程的发动机舱内部流场环境的模拟处置环节,因此择取运用S S Tk-技术分析模型作为本文所介绍车型发动机舱内部流场技术环境中数值计算的湍流分析技术模型。在S S Tk-技术分析模型中,围绕湍动能的k技术分析数学方程与湍流频率技术分析数学方程分别为:k技术分析数学方程:(k)t=xj(+kt)k xj+(-ui uj)ui xj-*k(4)湍流频率技术分析数学方程:()t=x(+t)xj+vt(-ui uj)ui xj-2+2(1-F1)21 k xj xj(5)假若用1和2分别表示k-技术分析模型和k-技术分析模型,则S S Tk-混合方程技术分析模型的数学表达式为:=F11+(1-F1)2(6)在公式(6)中有:F1=t a n h(a r g41)a r g1=m i n m a xk y;5 0 0vy2;42kC Dk y2C DK=m a x221 k xj xj,1 0-2 0对于1和2而 言,其 相 关 性 的 技 术 参 数 项 目 主要有:1=0.3 0 9;1=0.4 9;1=0.0 7 4;*=0.0 8;k=0.4 0;1=1/*-1k2*;k2=0.9 9;2=0.8 5 5;2=0.0 8 2 7;1=2/*-2k2*。为切实获取到基于S S Tk-混合方程技术分析模型应用背景下汽车产品运输技术特性的正确化计算描述结果,将涡粘系数方程的表达式定义成:vt=a1km a xa1;|F2(7)在公式(7)中,|表示的是涡张量对应的标量技术参数项目;F2=t a n h(a r g22);a r g2=m a x2k*y;5 0 0vy2;y表示的是当前技术点位到壁面之间的最短距离技术参数项目。2 汽车产品发动机舱热管理的模拟分析流程2.1 模拟技术分析流程在推进实施C F D理 论 分 析 工 作 环 节 前 提 下,实 际设计形成的,与 汽 车 产 品 整 体 性 开 发 工 作 流 程 相 互 匹配的发动机舱热管理工作模拟技术分析流程参 见 图1所示。图1 汽车发动机舱热管理工作的基本流程示意图2.2 网格划分技术处理、边界技术条件设置与参数项目设置对于汽车产品发动机舱而言,其在内部结构层面所具备的复杂性特点,直接决定了在汽车产品发动机舱热管理工作开展过程中,需要面对和涉及的技术零部件数量较多,而在具体推进开展数值模拟分析技术工作环节过程中,可以遵照实际面对的工程需求,适当推进开展筛选工作环节和简化工作环节,比如指向汽车发动机技术设备之上的部分修饰技术特征,尺寸较小的线束以及部分细节技术特征。2.2.1 网格划分技术处理在针对汽车产品发动机舱热管理工作过程展开的数值分析计算环节过程中,实际选择运用的是外流场技术环境与发动机舱内流场技术环境相互耦合条件下的计算处理方法,假若在外流场技术环境中建构形成力学风洞域,则汽车 产 品 的 长、宽、高 可 以 依 次 被 表 示 为“L”、“W”、“H”,其对应流体域的长度技术参数项目设置数值通常为汽车前方位置3.0 0 L,汽车后方位置6.0 0 L,宽度技术参数项目设置数值为6.0 0W且左右两侧呈现相互对称状态,高度技术参数项目设置数值为6.0 0 H。综合性考量硬件技术设备实际具备计算能力,以及项目设计工作开展过程中需要契合满足的计算精度控制要求,本文将模拟风洞的流 体 域 尺 寸 技 术 参 数 项 目 取 值 设 定 成6 0.0 0 m3 0.0 0 m5.0 0 m。在将运用计算机辅助设计应用软件程序(C o m p u t e rA i d e dD e s i g n,C A D)建 构 形 成 的 数 学 分 析 模 型 导 入 到C F D软件应用程序之后,通常会形成和展现出三角化质量表现状态极差的表面结构,以及发生在局部位置的表面结构封闭程度不充分问题,客观上需要在完成针对面网格结构的设置技术环节之后,运用S T A R-C CM+软件应用程序针对技术分析模型开展面网格重构处理环节,接续再推进开展针对体网格结构与边界层结构的设置技术环节。在实际推进开展网格结构的划分处理技术环节过程中,要针对非计算敏感技术区域、与汽车产品车体结构表面位置相互远离的计算域空间,借由择取具备较大尺寸的网格技术结构,支持缩短计算分析处理工作环节的持续时间,同时确保计算分析处理任务量显著减少。要针对进气格栅技术结构、前端冷却技术模块,以及流动变化表现程度较为剧烈的技术区域推进开展局部性的加密技术处理352 0 2 3年第8期环节,继而支持改善提升计算分析处理工作环节的总体精确度。2.2.2 边界技术条件设置与参数项目设置在C F D模拟计算分析处理工作环节开展过程中,其边界技术控制条件设置状态参见表1所示,择取运用速度入口边界技术控制条件(风速技术参数项目是汽车产品在行驶技术工况条件下的车速技术参数项目,其空间方向之间构成相互平衡关系)、压力出口边界技术控制条件与壁面边界技术控制条件,对于散热器技术组件和冷凝器技术组件而言,要选择运用多孔介质技术分析模型针对其阻力技术特性展开模拟处置环节;对于风扇技术组件而言,要选择 运 用 多 重 参 考 技 术 分 析 模 型(M o v i n g R e f e r e n c eF r a m e,MR F)附带的隐式算法展开处理(其转速技术参数项目指的是该种技术工况条件下的风扇技术组件转速技术参数 项 目),环 境 温 度 技 术 参 数 项 目 的 设 定 数 值 为4 0.0 0,进出口位置的温度技术参数项目,与热环境技术分析模型的试验温度技术参数项目保持相互一致状态。表1 边界技术控制条件边界名称边界设置状态入口边界技术控制条件速度入口边界技术形式出口边界技术控制条件压力出口边界技术形式前轮着地面技术控制条件滑移壁面技术形式后轮着地面技术控制条件无滑移壁面技术形式车身与舱内非发热技术组件无滑移壁面技术形式散热器技术组件与冷凝器技术组件多孔介质技术分析模型汽车发动机设备发热技术组件温度壁面技术形式风扇技术组件MR F技术分析模型3 技术分析模型计算处理结果3.1 汽车产品发动机舱内冷流场技术环境仿真处理在汽车实际行驶过程中,发动机舱内各类技术组件,以及冷却技术模块的散热技术过程,主要借由与实际进入到前端技术位置进气格栅结构的冷却空气物质的热交换加以完成,继而将存在于发动机舱内各类技术组件位置的热量向外排出。从这一角度展开阐释分析,想要推进完成针对汽车产品发动机舱内技术环境的热负荷评价工作环节,必须针对汽车产品发动机舱内实际具备的冷流场展开技术分析工作环节。借由针对汽车产品发动机舱内流场展开技术分析工作环节,能够准确化地定量揭示处在初期设计时间阶段的汽车产品发动机舱内流场实际具备的各项技术特性。冷却气体物质基于上进气格栅技术结构位置进入到汽车产品的发动机舱内空间,在经动力总成空间区域之后向汽车产品车身后部位置向外流出。在关键技术区域如机舱后部位置,排气技术部位等技术位置没有回流技术现象及表现显著的漏风技术现象产生,汽车产品发动机舱内流场技术环境的整体表现情况相对较好。变速箱技术组件上部区域的流动状态相对通畅,源于中立柱技术结构发挥的遮挡作用,引致有效通风量显著缩减,间接上引致后方技术位置的流动速度技术参数项目显著缩小;基于冷却技术模块的前下方位置存在和分布有一个表现程度显著的缺流技术区域,形如图中的黑色虚线框所示,支持冷却气流的有效通风量显著减少,散热技术效果逐渐变差。择取上格栅技术结构附近水平截面Z=7 7.0 0 mm空间位置的速度矢量图推进开展技术分析环节。在冷却气流实际进入到冷却技术模块内部之后,其通常能够基于两侧支架空间位置推进完成向外流出技术过程。在气流实际经过冷凝器技术组件过程中,其流量技术参数项目为1.2 9 3 k g/s,而在气流实际经过散热器技术组件过程中,其流量技术参数项目为1.1 7 4 k g/s,此处说明的具体情况为:气流在经过冷凝器技术组件后风量泄露的百分比例=(1.2 9 3-1.1 7 4)/1.2 9 3=9.2 0%,有9 0.8 0%的风量后续经过了散热器技术组件,支持在冷却技术模块两侧位置存在并且表现出缺流技术现象,形如图中黑色虚线框内所展示呈现的情况。3.2 汽车产品发动机舱内冷流场技术环境优化处置思路遵照汽车发动机舱内流场技术环境的仿真分析处理结果,源于基于冷却技术模块的底部空间位置和两侧位置发现两处缺流技术位置,客观上需要对其针对性制定形成技术性优化调整处置方案。针对冷却技术模块的底部位置出现的缺流技术区域,要对进气格栅技术结构上边缘位置添加横向导流板技术组件,使气流向冷却技术模块下方区域流动,优化流场技术环境,改善缺流技术问题。针对冷却技术模块的两侧空间位置出现的缺流技术区域,加宽处理进气格栅两侧位置的立柱宽度增加一倍,使实际进入的冷却气流在立柱技术结构的阻挡作用条件下,向冷却技术模块的两侧空间区域完成流动技术过程,补充该处实际出现的缺流技术问题,减少风量发生的泄露技术过程。经过推进开展如上所述的技术优化处理过程,冷却技术模块下部空间位置及两侧空间位置的缺流技术现象获取到表现 程 度 显 著 的 改 善,支 持 获 取 到 优 质 化 的 技 术收益。4 结论综合梳理现有研究成果可以知晓,在推进开展汽车产品整体设计工作环节的初期时间阶段,针对可能出现的发动机舱内热管理问题预先开展全面系统的发现梳理,并且择取适当措施展开控制干预,能支持获取到优质效果。参考文献:1 钟权,岑文剑.汽车发动机润滑性能受保养用机油添加剂影响分析J.时代汽车,2 0 2 2(1 9):1 6 3-1 6 5.2 范鲁艳,曲大为,苏岩,杨硕.汽车发动机虚拟仿真实验教学平 台 开 发 与 应 用 J.现 代 电 子 技 术,2 0 2 2,4 5(1 7):1 6 3-1 6 8.3 杨锟.汽车发动机烧机油原因分析及故障维修策略研究J.汽车维修技师,2 0 2 2(0 9):1 2 0-1 2 1.4 黄旭,陈楠,马东元,张伟,许伟利.微型汽车发动机整车热平衡试验设计及试验结果分析J.时代汽 车,2 0 2 2(1 5):1 3 3-1 3 4.5 谷彦庆.汽车发动机机械系统故障原因及诊断分析J.汽车与新动力,2 0 2 2,5(0 3):8 8-8 9.45