轻型汽车技术2019(6)技术纵横25基于场协同理论的卡车冷却模块散热性能优化
沈玉冉陈寅辉王国琳
(上汽大通汽车有限公司南京分公司)
成本与紧凑前舱布置，为优化采用集成冷凝器方案后的冷却模块散热性能，本文采
用STAR CCM+软件对某款卡车前舱进行模拟计算，获取了不同前置冷凝器布置
位置下的前舱中的速度场与温度场，在此基础上利用场协同理论对其换热效果进
行了分析，确定将冷凝器布置在散热器中部为最优布置方案。
关键词：散热器场协同分析数值仿真STAR CCM+
翼虎汽车1前言
在传统轻卡设计开发过程中，热管理系统的性能一般采用经验设计和工程评估的方法。如今随着轻卡前舱中的零部件越来越多，结构日趋复杂，传统的性能评估手段难准确捕捉岀前舱内部的流场分布特性，而且具有成本高、周期长等缺点。有限元仿真手段具有成本低、周期短、可拓性强等优点，已经成为汽车设计开发过程中的重要工具和手段。
国外对于发动机前舱的热管理系统性能的研究相对较早。在2001年,V.Damodaran和S. Kaushik使用FLUENT软件，对发动机舱进行了散热分析，并且将温度场计算误差控制在10-15%以内叫Norihiko Watanabe等人利用1D和3D耦合分析的方法，分析了发动机前舱内流场分布情况与散热器的温度分布情况P1；瑞典沃尔沃公司运用POWERFLOW软件对某款车型的热管理系统进行了优化设计，通过优化冷却系统元件性能，使整车热管理系统性能得到提升叫国内对于发动机前舱热管理系统性能的研究也逐渐成熟，刘鹏针对某三厢轿车，测试了不同工况下通过冷凝器、散热器的空气流速与流量，建立了整车状态下的机舱热管理仿真分析模型，认为风扇转速是影响热管理系统性能的主要因素间；李传峰利用CFD软件STAR CCM+进行热管理分析，发现散热效率不足和地板局部温度过高的问题，针对不同原因，结合工程实际提出了导流和热保护相结合的优化方案叫蔡晓林应用CFD方法，结合热量交换计算分析工具和环境舱热管理试验，对某款轿车进行发动机舱热流场及温度场仿真分析优化与试验验证，使得进气温度降低了13□冷却水温度降低了4.5七冏。
本文以某款轻卡作为研究对象，建立了详细准确的整车热管理系统仿真模型，利用场协同理论研究在
冷凝器前置方案下，集成冷凝器相对散热器的安装位置对前舱中温度场梯度夹角与速度矢量夹角的协同性的影响，确定冷凝器的最佳安
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装方案，可以为优化发动机舱热管理系统性能提供新的思路和理论依据。
2场协同理论简介
三菱翼神首付多少钱热量传递是自然界中非常普遍的现象，可分为三种基本方式：导热、对流和热辐射。场系统原理将对流换热比拟为具有内热源的导热问题，流动的存在可以强化换热，也可无实质贡献，甚至能弱化换热。以二维层流边界为例，其能量方程可以
表7K为:
PCp("話+唱)=彩(碣)⑴场协同原理将对流换热问题作为有内热源的
导热问题来处理，壁面处的热流可以通过式(1)积分得到：卡宴报价
唸+唱)好=-碍L
(2)
式中，p、Cp、和X分别表示流体密度、比热和导热系数;u、v分别表示X和y方向的速度;T表不温度；6t表不热边界层厚度o
用®=Ug,VT=©VT)/%-珈)和歹=y/S t
驾考新规科目二对式(2)进行无量纲化，可以得到：
Nu x=Re x Prf^(U•VT)dy=Re x Pr^(|U||VT|cos/?)dy
(3)
式中,Us、T"和Tw分别表示来流速度、来柳温度和壁面温度；Nu*、Re*和P r分别表7K Nusselt 数‘Reynolds数和Prandtl数；0表示温度梯度矢量AT■与速度矢量IT之间的夹角。
式(3)可以表示成另外一种形式：
Fc=銖=Jo(U•VT)dy=^(|t7||VT|cos p)d y
(4)
式中,F，表示场协同数，它描述传热过程的强弱。从式(4)可见，对流换热的强度不仅仅取决于流域与温差，还取决于速度场与温度场之间相互配合的程度。只有当速度值丽、温度梯度值UTI 以及速度和热流矢量两者夹角的余弦值cos B三者之间有效搭配，才能使场协同数F,.增大，速度场和温度场之间的协同性提高。如果设想在整个对流换热区域内，速度与热流均匀并能够处处同向，及他们的夹角处处为零，则F=1，此时,Nu x可表示为：
Nu*=Re*Pr(5)图1给出速度与温度梯度完全协同的两种情形：图1(a)中两个矢量方向相同，协同角为0度，流体被加热；图1(b)中两个矢量方向相反，协同角为180度，流体被冷却。
图1场协同效果示意图
(a)协同角为0度;(b)协同角为180度
速度场与温度场的协同主要体现在三个方面：
1)速度与温度梯度间的夹角尽可能小；
2)速度、温度梯度及夹角余弦的局部值应同时比较大，即夹角余弦大的地方，速度与温度梯度之值也应该比较大；
3)对于内部流动，截面上的速度分布与温度分布应尽可能的平坦(饱满)，即流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀。
途安2015款3前舱冷却系统模型建立
3.1前舱冷却系统三维模型
本文首先对该款轻卡的前舱进行了三维建模，主要包含发动机、悬置、电气系统、进排气系统、散热器和冷凝器等多个系统及零部件，其结构比较复杂，具体结构如图2所示
。
轻型汽车技术2019（6）技术纵横 27
图2三维模型图
散热器、风扇和相关管路等。
3.2前舱冷却系统有限元模型
本文根据某款轻卡作为研究对象，建立整车
的三维仿真模型，划分网格时，忽略尺寸较小的零 部件。空气域为车前3倍车长，车后6倍车长，宽
度为6倍车宽高度，为6倍车高。网格采用Trim
mer 网格.网格最大尺寸500mm，最小尺寸2mm, 最终生成网格数为14854679个，前舱部分体网格
Y=0mm 剖面如图3所ZK 。
3.3边界条件设定
三维仿真计算的边界条件如表1所示，多孔
（整体剖面图）
（局部剖面图）
图3 Y=0剖面体网格
为有效保证有限元仿真的计算效率与计算精
度，需要对三维模型进行适当的几何简化：将前舱 内部的紧固件与对计算影响不大的几何特征进行
删除与简化，对于车身内外表明，选择保留格栅、
介质参数如表2所示，整个控制方程使用的是有 限体积法，算法采用压力与速度耦合的SIMPLE
算法，空间离散格式为二阶精度迎风格式。
4结果分析
表1边界条件设定
边界名称边界设置
入口边界
V=79Km/h 的速度入口（环境温度为42*0
出口边界自由出口
散热器、冷凝器
车载充电器多孔介质模型
风扇MRF 模型，转速为2300rpm
空气域底面
无滑移壁面
空气域左右表面及上表面
滑移壁面
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表2多孔介质参数
多孔介质名称
粘滞阻力张量(kg/(m ;'> s))
惯性阻力张量(kg/d)
发热量(W)
散热器722. 22
109. 85
43526冷凝器
412.2199. 406
8000
本文针对冷凝器安装在散热器前方的方案下 的最优安装位置进行优化分析，冷凝器安装的位 置分别为散热器上部、散热器中部与散热器下部， 具体分析结果如下所示。
4.1 速度场结果分析
4.1.1轻卡前舱的Y 界面速度场分析结果
轻卡前舱的Y=Omm 截面的仿真结果如图4 所示：
安装位置对前舱中流场的分布有一定影响，随着 冷凝器的上移，散热器下部的进风速度逐渐增大。
4.1.2散热器表面速度场分析结果
散热器表面的速度场结果如图5所示： 根据仿真结果可知，三种方案下冷凝器进风量分别为 0.435kg/s 、0.4kg/s 、0.385kg/s ，散热器进风 量分别为 0.717kg/s ,0.72lkg/s 与 0.724kg/s ，总体
散热器进风量变化不大。但另一方面随着冷凝器
图4 轻卡前舱的Y=0mm 截面速度场仿真结果
(a)冷凝器布置在散热器下部；(b )冷凝器布置在散热器中部;(c )冷凝器布置在散热器上部
根据仿真结果可知，由于冷凝器安装在散热
上移散热器下部进风风速也随之提高，这是由于器前方，会对散热器的进气有一定阻碍。冷凝器的
受到冷凝器上移的影响，上部风速有所降低。
图5散热器速度场分析结果
(a )冷凝器布置在散热器下部;(b )冷凝器布置在散热器中部;(c )
冷凝器布置在散热器下部
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4.2散热器温度场结果分析
场协同角的平均值分别为17.4。、18.1。与
散热器表面的温度场结果如图6所示:
23.8。，三种方案中冷凝器布置在散热器下部的协
图6散热器温度场场分析结果
(a )冷凝器布置在散热器下部;(b )冷凝器布置在散热器中部;(c )冷凝器布置在散热器下部
根据仿真结果可知，三种方案下散热器表面 平均温度分别为56.8七、52.8七与53.5T，三种方 案中，冷凝器布置在散热器中部的温度最低。随着 冷凝器的上移对散热器进风温度影响较大，随着
冷凝器上移，散热器受影响区域也上移。另一方 面，当冷凝器布置在散热器中部时，散热器进气温 度有所降低，这是由于冷凝器布置在散热器中部
以后冷凝器上部与下部有更多的低温气流进入。
4.3前舱冷却系统场协同分析
散热器表面的场协同角分布如图7所示：根据仿真结果可知，三种方案下散热器表面
同性最好。从上图可以看出冷凝器的上移主要影
响的是冷凝器周围的区域的场协同角分布情况， 对在散热器表面上被冷凝器所投影的面积的场协
同角影响不大。
综合考虑进风量、进风温度与场协同角三个 方面对散热器性能的影响，认为将冷凝器布置在 散热器中部为最优方案。
5结论
本文对某款轻卡进行研究，分析不同冷凝器 安装位置对发动机前舱热管理系统性能的影响. 结合仿真与实验结果得出以下结论：
图7散热器表面场协同角平均值分析结果
(a)冷凝器布置在散热器下部；(b)冷凝器布置在散热器中部;(c)
冷凝器布置在散热器下部
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