Equipment Manufacturing Technology No.3,2021
基于三维耦合热保护仿真技术的
机舱热害分析及优化
唐海国，黎谦，段大禄，毛磊
(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广两柳州545007 )
摘要：针对某乘用车发动机舱内散热器的风扇罩受高温烤化问题，运用流体软件STARD CCM +和热分析软件
Racitherm 进行了三维耦合热保护仿真分析通过优化前舱布置及隔热罩设计，有效地解决了风扇罩的热害问题试验结 果表明，优化方案的仿真误差在10%以内 关键词：汽车；热保护；三维耦合仿真中图分类号：U463.9
文献标识码:A
0前言
汽车发动机舱内的散热问题一直是汽车行业在
整车开发过程中关注的热点问题，舱内发动机、排气 系统和散热器等高温部件的布置直接影响舱内的零
件的工作环境。高温部件不仅与舱内气流存在对流 换热引起气流升温，而且对周围零件存在热辐射，直 接影响零件T .作温度如果布置不合理会使零件工 作温度超过其材料自身温度限值而产生热疲劳效 应，长期处于这种状态下工作会导致零件过早失效， 危及汽车行车安全。利州数值模拟技术评估发动机 舱内布置的合理性具有周期短、成本低等优势。文献 丨丨-5]运用流体仿真软件重点研究了舱内对流换热及 流场流动情况对零件的影响，优化了舱内零件散热 问题。文献丨6-8|运用流体仿真软件研究了对流场和 温度场进行了分析，优化了热害问题，文献[9-10]运 用流体计算软件和热分析软件Radtherm 进行了三维 耦合仿真，仿真结果和试验结果均有较好的吻合，验 证了耦合仿真方法的可行性£
本文运用流体计算软件Star CCM +和热仿真软 件Radtherm 对某车型在开发中发生的热害问题进行 了三维耦合仿真分析和优化设计，试验显示优化方 案有效地解决了热害问题
1问题描述和分析
某开发车型在试验过程中发生散热器护风罩上 的电机支架软化现象现场测量结果显示该处的电机
文章编号：1672-545X( 2021 >03-0022-04
和支架与=(兀催化器的距离分别为60 mm 和40 mm : 初步分析结果认为护风圈与三元催化器之间的距离 过小，导致护风圈受三元催化器的高温辐射影响。
在整车开发过程中热害试验主要验证低速爬坡、 高速和怠速三个工况，其中低速大扭矩爬坡工况时由 于发动机散热量大，进人舱内的气流流速低，此时舱 内散热环境最为恶劣故该工况最适合评估零部件 是否存在热害风险。本文旨在解决该烤化问题，同时 防止在整个热害试验过程中发生热害问题，所以根据 发动机万有特性曲线和整车设计参数汁算后选取50
k m /h . 7.2%爬坡度进行仿真分析
图1护风圈的电机支架软化现场图
2有限元仿真分析
2.1基本理论
普通轿车行驶速度远小于100 m /S，其周围气流
收稿日期：2020-丨2-03基金项目：柳州市科技计划项H (多功能乘用妇M P V )整午及关键技术升级与开发2018A A 10501)作者简介：唐海国（1983-)，男，广西桂林人.硕十，T .程师，研究方向：汽车热管理技术、汽车空气动力学2
2
《装备制造技术》2021年第3期
可以考虑成不可压缩气体，对于不可压缩气体采用 雷诺平均的N-S方程进行求解|n|。
质量方程：和散热模块，网格处理与Star CCM仿真模型相同。Star CCM仿真模型和Radtherm热仿真模型如图2所示。
能量方程：（a)S ta rC C M仿餓S
基于湍流的复杂性，上述方程引人了关联项
-p«，为使方程封闭，增加高雷诺数/c-e模型湍流
方程来进行求解，方程如下：
A：方程:d{pk)!d(put k)_d[(
m +i^) dt dxj dxj
]+ «(4)
e方程:dips)(dipujs)d
[(弘+i^L_) dt dxj dxj(Te
]+ C\sP i-g~
17~(5)
式中p为密度，U,、％.、u…，为矢量方向上的速度，A、w…，为矢量方向，At为流体动力粘度，G为平均速 度引起的湍流动能的产生项、〇分别为^方程的湍流普朗特系数#，为湍流粘度系数。
上述方程描述了流体与壁面之间的对流和传热 问题，在传热分析中还应考虑辐射的影响|121。假定求 解系统由N个漫灰体组成的封闭系统，则有：
_ \<P k A.kE b\.,- (8h., - (P k.jT\.i^ .(g)
i I)
>=1^A.y
k =(1,n)
k表示克罗内克算符山#，叫^和^^分别表示y_面到^面的几何平均光谱透射率、吸收率和发 射率，料表示;
_面到^面的角系数。
2.2分析模型
按照经验，流体计算域分别为车体长宽高尺寸 的9倍，6倍和4倍。Star CCM仿真模型包括车体、底 盘、发动机、排气系统和散热模块等零件。格栅和散 热模块网格尺寸设定为5 mm，其余零件网格设定为 10 mm。体网格使用多面体网格生成，网格总数量为 600万。Radlherm热仿真模型包括发动机、排气系统
(h)Rad丨hem丨热仿真模型
图2三维耦合热保护仿真网格模型
2.3边界条件
按照Star CCM流体仿真和Radtherm热仿真计
算的要求，进行如下边界条件定义：
(1)Star CCM流体计算域设定入口速度为50 km/h，出口为标准大气压，环境温度为38 T。中冷
器、冷凝器和散热器均采用多孔介质模型，风扇采用 MRF模型，转速为2 500 r/min。
(2) Radtherm中需要设定各零件的初始温度和 材料属性，初始温度由发动机台架试验测得（表1)。
发动机排气流量和温度由一维仿真软件计算而得,
分別为 91.55 g/s和 850 1。
表1零件对应的初始温度
缸体缸盖罩盖油底壳排气歧管隔热罩风扇罩
飢95T：SOX105*C650^120^40*t
2.4原状态仿真结果分析
图3a为出现软化的电机支架和周围流场的温
度云图，云图显示此处支架的温度大于190 高于
其周围流场温度，此时支架与周围气流对流换热的
结果是支架向周围流场传递热量。支架温度过高主
要是受三元催化器对其的辐射影响..同理，图3b中
电机同样受到三元催化器的辐射影响。
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Equipment Manufacturing Technology No.3,2021
1200 1400
1600 1800 2000 2200 2400
2600 2800
时间/s
图
6
电机和支架爬坡试验数据曲线
结合图3b 截面流线可知，部分气流经风扇后在 排气歧管、三元催化器和发动机之间的高温区域内 形成低速回流。由于该区域内固体和气体温差A r 大，由对流换热公式可知此时对流换热量大，气 流升温显著，升温后的气流通过排气歧管和三元催 化器形成的回流通道流至风扇电机后端，形成了温 度高达185 ^的高温区，此温度超过支架的软化温 度 140
<a >支架和其阓流场的温度云图（l >)K =l 7〇mm 截面和电机温度云图及流线图
图
3
原状态护风罩及周边流场仿真结果
由此可见，支架软化的主要原因是受三元催化 器的高温辐射和电机后端的高温回流的双重影响 2.5优化设计
根据对原状态的仿真结果分析，进行图4所示 的优化：（丨）将散热器及风扇总成往-X 向移30 mm :(2)增加三元催化器隔热罩。（3)在回流通道处增加 阻流板，对高温回流进行阻挡，改善电机后端的环境 温度，考虑到工装情况将阻流板和隔热罩设计成一 个整体。
图
4
散热模块前移及隔热罩优化
2.6仿真结果对比
图5为优化前后散热器护风罩温度云图对比，云 图显示经过上述优化之后护风罩上温度高于120尤 的区域基本消除，温度明显改善。其中电机温度由原
方案的260丈降至118 U 降幅达到54.6%，支架1 和支架2分别由原方案的193尤和180尤降至106 ^和98丈，降幅分别达到45.1%和45.6%，支架3和 支架4的温度降幅也分別达到了 34.7%和30.7%，可见优化方案显著降低了护风罩温度，电机和支架的仿
真温度均满足零件设计的工作温度120丈要求。
3试验
试验在上汽通用五菱汽车股份有限公司检测中 心的整车排放试验室进行，试验过程和要求按照
《GMW 14555通用热平衡试验标准》进行，本次试验 主要参数如表2所示。
表
2
试验参数
车速 档位坡度环境温度环境湿度冷却循环空调50 km /h
2
7.2%
38^
30%
外循环
最大制
冷模式
图6为大扭矩爬坡过程中护风圈上电机和支架 的试验数据曲线，从曲线图可看出，在爬坡和换挡加 速的开始阶段，电机和支架的温度随时间的延续而 增加,2 200 s 后温度维持在很小范围内波动，基本处 于平衡状态，系统静流率为〇(即流人系统的热量加 上系统自身产生的热量等于流出的热量）。此时采集 的平衡状态温度数据与稳态仿真结果数据存在可比 性，试验数据和仿真数据对比表如表3所示。
n 〇〇〇〇o 〇〇〇o °〇〇〇〇〇〇〇〇〇
nB°
00
9080
丨：
V
雲
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表3试验值和仿真值对比表
零件方案电机支架1支架2支架3支架4优化方案1181069898104试验1121109290105误差
5.36%
3.64%
6.52%
8.89%汽车罩
0.95%
从仿真与试验对比结果可知，优化方案中仿真 误差均在10%以内，最大仿真误差为8.89%，最小误 差为0.95%。综合试验结果可知，运用三维耦合热保 护仿真能够高效地解决热害问题，保证电机和支架 在许用极限温度以下工作。
4结束语
运用三维耦合热保护仿真分析方法，同时考虑 了汽车前舱内各部件之间的辐射、对流换热和热传 导等传热现象，对某车型在开发中护风罩被烤化问 题进行了问题解决，得出如下结论：
(1)
通过耦合仿真分析快速到了发生热害问 题的主要原因，综合考虑工装情况对原车的布置和 隔热罩进行了优化设计，试验结果表明优化方案有 效地解决了热害问题，缩短了项目开发周期，降低了 开发成本。
(2)
本仿真中未考虑冷凝器和散热器及中冷器
内部的散热介质流量、相变及发热规律，其散热量通 过估算得出，这导致流经冷却模块后进入前舱的气 流温度与实际存在误差。这些需要在以后的工作中
研究改进：
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Underhood Thermal Pollution Problem Analysis
Base on 3D Coupled Thermal Protection Simulation
TANG Hai -guo,LI Qian , DU AN Da -lu ,MA 0 Lei
(Shanghai Automotive-General Motor-Wuling Automobile Co ., Ltd ., Liuzhou Guangxi 545007, China )
Abstrct:A thermal protection simulation with coupling STARD CCM + and Radtherm softs was used to solve prob
lem for melting of fan cover in engine compartment . By optimizing engine compartment layout and redesigning heat shield , effectively solve the problem . The test results show that the optimized scheme of simulation error is within 10%.
Key Words : vehicle ;thermal protection ; 3D Coupling Simulation
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