某轿车发动机舱局部热害仿真分析研究 梁长裘, 朱贞英, 朱凌, 门永新 ( 吉利汽车研究院有限公司, 杭州萧山,311228) 摘要 : 发动机舱内零部件的表面热负荷状况随着汽车行驶工况的改变而变化, 尤其是在长时间高负荷行驶后停车, 机舱内部分零部件温度将会出现明显上升, 从而可能使零部件失效 本文应用 STAR-CCM+ 和 RADTHERM 软件, 在工程设计阶段, 对某匹配涡轮增压发动机的三厢轿车进行发动机舱流场 长瞬态温度场仿真分析, 考察机舱内局部零部件在高负荷运行后停车状态的温度变化, 并对可能失效的零部件进行了优化 关键词 : 机舱流场温度场瞬态优化分析 STAR-CCM+ 0 前言汽车发动机舱内零部件的表面热负荷状况随着汽车行驶工况的改变而变化, 例如, 城市工况遇到红绿灯时停车, 高速路行驶进入服务区停车等, 当汽车在进行了长时间高负荷行驶后突然停车, 机舱内部分零部件温度将会出现明显上升, 从而可能使部分零部件超过其本身的耐温要求 对于部分机舱内热源 ( 如排气管等 ) 周边的零部件的布置 结构 热防护就显得尤为重要 本文对某匹配涡轮增压发动机的三厢轿车进行了机舱流场和长瞬态的温度场耦合仿真分析, 模拟了轿车在爬坡行驶后停车熄火工况下的机舱内的零部件温度变化, 找到可能出现热风险的零部件, 并对其优化, 降低其热害风险 1 模型建立与数值计算 1.1 几何模型本文基于 STAR-CCM+ 建立了机舱三维流场分析与温度场的有限元模型, 主要包括机舱总成 白车身总成 动力总成 冷却系统 进排气系统等, 对初始 CAD 数据进行包面处理重构面网格和生成体网格, 如图 1.1, 同时建立了热辐射计算模型, 如图 1.2 所示 图 1.1 某车型机舱流场分析模型 图 1.2 热辐射计算模型 1.2 数学模型基本理论流体流动受物理守恒定律支配, 包括质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 以下是这些守恒定律的描述 : 连续性方程 :
0 z y z y (1) 运动方程 : eff v p, (2) 能量输运方程 : eff v v 2,, (3) 对机舱热流场分析, 包含流动与传热问题, 将流动视为不可压缩流动, 采用模型求解, 控制方程还包括 方程和方程, 采用散度符号表示为 [1] : S tgrad dv dv t ) ( ) ( ) ( (4) 其中, 为 和的扩散系数, 为 或 2 发动机舱热流场分析爬坡工况下的车辆, 是汽车处于较恶劣的一种行驶状态, 此时发动机低转速高扭矩 发动机发热量大且来流速度低, 再加上空调开启, 冷凝器 散热器均进行换热, 导致发动机舱内气流温度高 相对于无增压发动机车型, 涡轮增压车型对机舱内的散热及热防护提出了更高要求 汽车在高负荷行驶停车后, 由于发动机舱内无强制对流, 此时机舱内的空气温度往往会比行驶状态时的更高, 此时更应关注机舱内的零部件耐温情况, 防止气流在急剧升温导致的零部件失效情况出现 对于停车工况, 在无来流进行强制散热时, 电子风扇延迟关闭功能, 使风扇继续工作一段时间, 对机舱内起到强制对流散热作用, 能够对机舱内的空气及后端排气管等热源加快降温, 一定程度上对机舱的散热起到促进作用 虽然电子风扇有了延迟关闭功能, 但对排气后置车型, 排气管热源部件离处于前端的风扇较远, 空气流通路径长, 散热效率低, 对机舱后端的降温往往达不到较好的效果 受电子风扇延迟关闭时间的限制, 在机舱热负荷性能设计过程, 仍须要重点关注风扇关闭后机舱的温升情况 2.1 热流场稳态结果分析本文将车辆从行驶到关闭过程分解成连续的三种工况, 即爬坡行驶工况, 停车发动机熄火 ( 但电子风扇延迟关闭 ) 工况 熄火且电子风扇关闭工况, 对这三种工况分分别进行了稳态求解, 并针对各个独立工况的稳态分析结果分析优化, 最后得到了独立工况下较好的机舱设计方案
爬坡工况下, 在前方来流及风扇出风共同作用, 经过前期的优化, 机舱内热气流能够顺 畅地经过机舱后端并排出机舱, 此时, 机舱内总体温度在 90 左右, 机舱内零部件基本无 热风险, 如图 2.2 截面速度及温度分布所示 图 2.2 截面流场及温度场分布 ( 爬坡工况 ) 图 2.2( 续 ) 截面流场及温度场分布 ( 爬坡工况 ) 停车后, 发动机熄火, 但电子风扇延迟关闭, 即风扇继续工作一段时 此时, 发动机熄火 空调关闭, 前端冷却模块无换热, 风扇将前方冷气流引进机舱 风扇强制对流使机舱后端温度下降至 70 左右, 同时排气管周边的热空气也随之往机舱下端排出, 如图 2.3 所示
图 2.3 截面流场及温度场分布 ( 熄火工况 ) 电子风扇关闭后, 机舱内无强制气流对机舱散热, 机舱内的气流受排气岐管 增压器 三元催化器以及前围和中通道下方的排气管的余热驱动, 热气流从这些位置机舱上端流动, 如图 2.4, 最后部分气流从前格栅流出 这种工况下, 热气流将往上流动, 热空气集中在机舱中上部位, 将对热源上方的零部件热害产生较大的影响 从图 2.5 中分析结果可知, 由于热气流往机舱上部流动, 机舱上端温度明显高于机舱下端 图 2.4 截面流场分布 ( 发动机熄火且风扇关闭工况 ) 图 2.5 截面温度场分布 ( 发动机熄火且风扇关闭工况 ) 2.2 瞬态机舱温度结果分析结合这三种工况下的热流场稳态分析结果, 对机舱进行综合的热对流 热辐射及热传导的耦合瞬态仿真分析, 对车辆行驶至发动机熄火过程, 处于机舱上部, 尤其是排气岐管 涡
轮增压管上部的零部件进行温度变化情况的考察 机舱最上端的是发动机装饰罩, 装饰罩后端靠近排气管 涡轮增压器等热源, 风险较大 本文对发动机装饰罩后缘四点个进行的温度监测, 如图 2.5 右图 装饰罩外侧 (T=12mn) 装饰罩内侧 (T=12mn) 图 2.5 装饰罩温度分布 图 2.6 装饰罩后端四个监测点温度随时间变化曲线图 2.6 是发动机装饰罩监测的四个温度点的温度变化情况, 从分析结果可知, 电子风扇延迟关闭的三分钟内, 装饰罩后缘表面温度有不同程的下降, 而装饰罩右侧的点 4 区域受风扇气流影响较小, 温度有小幅度上升 而风扇关闭后, 装饰罩后缘的监测点温度均有不同程度的明显上升, 其中, 靠近涡轮增压器的监测点 1, 温度上升最明显, 原来无风险的区域在风扇关闭后, 温度已经超过装饰罩耐温要求, 须继续进行优化 基于温度风险位置, 进行了形状上的优化, 主要是对高温区进行了裁剪, 如下图, 避免该区域因温度过高经热传导和辐射而导致装饰罩局部变形 图 2.7 装饰罩后端形状优化示意 如图 2.8 涡轮增压器周边温度分布, 从分析结果可知, 处于涡轮增压器正上方增压器管 路外表面, 在发动机熄火后, 其表面温度也有明显上升, 也需要采取对应的隔热措施
图 2.8 第 12mn 钟时刻温度分布图图 2.9 增压器管路监测点温度随时间变化曲线如图 2.10 机舱后端温度分布, 从分析结果可知, 离热源较远处的前围上的暖风水管外表面 ( 标示处 ), 在发动机熄火后表面温度也有上升, 但上升的幅度较小 对暖风水管迎风面和背风面温度分别进行了温度变化监测 从监测点的温度变化曲线可知, 迎风面的测点在发动机熄火后, 由于电子风扇仍继续工作一段时间, 迎风面受气流强制散热, 表面温度先下降后上升 而暖风水管背风面由于不受气流吹拂, 表面温度随发动机熄火后直接上升 图 2.10 第 12 分钟时刻温度分布图图 2.11 暖风水管监测点温度随时间变化曲线图 2.12 是车辆从行驶状态 停车发动机熄火电子风扇延迟关闭到熄火且风扇关闭初期的三种状态机舱内温度分布的分析结果, 从分析结果可知, 在熄火初期阶段, 机舱后端上部的温度出现较明显上升 行驶工况熄火但风扇延迟关闭熄火且电子风扇关闭 图 2.12 不同工作状态下机舱上端温度分布状态
3 结论本文简要介绍了某匹配涡轮增压发动机三厢轿车从行驶状态到熄火过程机舱内温度变化情况 本文结合三种稳态的机舱热流场分析结果, 进行了耦合瞬态热辐射分析, 直观显示了车辆行驶到停车熄火过程, 热源对机舱局部零部件热害的影响 通过该过程的仿真分析结果可知, 发动机熄火后机舱上部的零部件温升可能带来新的热风险, 这是在工程设计阶段须加以关注的 通过对过程的瞬态分析, 为机舱内零部件的热风险的防范提供了参考依据 参考文献 : [1]. 王福军, 计算流体动力学分析 -CFD 软件原理分析与应用 [M], 清华大学出版社,2008 [2]. Franchetta M., Bancroft T.G., Sen K.O. Fast Transent Smlaton of Vehcle Underhood n Heat Soa. SAE World Congress, SAE Paper No. 2006 [3]. Development of Transent Smlaton Methodologes for Underhood Hot Spot Analyss of a Trc,SAE, 2011