整车热管理的一维与三维耦合仿真
张宝亮;范秦寅;胡广洪;倪冬香;张苗;苏舒;周校平
【摘 要】Both 3D numerical model for vehicle thermal management and 1D model for the engine and its cooling system are built. The convection heat-transfer coefficient and heat-transfer volume obtained from 3D simulation on the flow field and heat-transfer characteristics of engine compartment can be used in 1D simulation on the engine and its cooling system to calculate the temperatures of various components in cooling system, which will in turn be taken as the boundary conditions of 3D simulation to update the thermal flow characteristics of engine compartment. Iteration continues until the results are converged. Such a 1D-3D coupling simulation provides an effective simulation technique for thermal managements of engine before the prototype is built.%同时建立了三维整车热管理数值模型和发动机及其冷却系统的一维数值模型.发动机舱内流场及其换热特性三维仿真获得的对流换热系数和换热量,可用来在发动机及其冷却系统的一维仿真中算出冷却系各部件的温度;这些又可作为三维仿真的边界条件,去更新发动机舱的热流特性.如此反复迭代直至收敛.这样的一维和三维耦合仿真分析,为样机制造前整车热管理的仿真提供了一种有效的方法.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2011(033)006
【总页数】5页(P493-496,501)
【关键词】汽车;热管理;一维/三维耦合仿真;发动机舱;CFD;换热
【作 者】张宝亮;范秦寅;胡广洪;倪冬香;张苗;苏舒;周校平
【作者单位】上海交通大学塑性成形工程系,上海200030;日本大阪大学大学院工学研究科,日本大阪565-0871;上海交通大学塑性成形工程系,上海200030;上海交通大学塑性成形工程系,上海200030;上海交通大学塑性成形工程系,上海200030;上海交通大学塑性成形工程系,上海200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030
【正文语种】中 文
前言
整车热管理从整体角度出发,考虑各种工况汽车内、外流场相互影响,将各个部件,例如发动机舱、冷却系统、预热与保温系统和气候控制系统等集成为一个有效的热管理系统,减小各系统的尺寸和功率消耗,完善管理并合理利用热能,保证关键部件与系统安全高效运行,并考虑减少环境污染[1-2]。物理实验不仅受到模型大小、流场扰动、测试人员安全和准确度的限制,而且成本高、周期长。CFD仿真可预先研究、条件限制少、信息丰富、成本低、周期短[3]。高效稳定的整车发动机舱热管理技术,是汽车进一步改善经济性和动力性的主要途径之一,它可以帮助解决汽车设计里的各种问题,例如,各种工况下发动机舱的温度分布与最高温度的位置、油封等密闭件处的最高温度、油冷器与仪表盘等的环境温度、排气管辐射对乘员舱的影响和排气管挡热罩效果等等。本文中综合以上需求,应用整车发动机舱热管理仿真实例,说明在样机制造前实施整车热管理仿真的方法,指出了整车热管理仿真中需要解决的课题。
为此,文中建立了某轿车整车数值模型;采用等效压力损失模型[4]简化了散热器、冷凝器和中冷器等部件的结构;应用运动网格建立了风扇的数值模型,其热边界条件借助一维软件Boost和Flowmaster对发动机及其冷却系统进行仿真获得。再通过三维仿真对发动机及其冷却系统的一维仿真边界条件等进行修正。如此反复迭代,实现了整车热管理仿真的一维和三维的
耦合分析。在此基础上,考虑地面和车轮速度的影响,提出精确模拟发动机舱空气流动和换热特性的方法。
1 数学模型、计算条件及网格
1.1 基本控制方程
流体流动受物理守恒定律的支配,基本的物理守恒定律包括:质量守恒、动量守恒和能量守恒。在流体流动处在湍流状态时,整个体系还要遵循湍流运输方程。流场流动和传热的控制方程参见文献[4]。
1.2 物理模型
计算中应尽可能反映结构的细节,使整车热管理仿真达到一定精度,满足指导设计的要求。根据装备了32GB主存,500GB硬盘,8CPU的64位高性能计算机,提出了计算精度与计算时间能够取得较好平衡的各部件外表面精度,见表 1。把整个汽车分为表中的 10个部件,对每个部件分别取外表面形状,将其装配成整车模型(图1(a))。外表面精度越高,所提取的部件越接近于实际形状(图1(b)),也决定了后续划分网格的大小。
表1 整车各部件外表面精度部件 外表面精度/mm 部件 外表面精度/mm车身 12 发动机总成 5前悬架 6 前保险杠 2～4后悬架 8 管道 5冷却系统 4 燃料箱 8排气系统 4 前端其他结构 6
由于整车发动机热管理计算注重机舱内部热分配及温度分布,为减少计算时间,选取了较小的前后计算空间。车前空间取车身长度的 1.5倍,车后空间取车身长度的 5倍,车顶空间取车身高度的 2.5倍,车身两侧空间都取车身宽度的 2倍。如考虑外流场的计算精度,须加长加宽外流场计算领域[5]。
图1 汽车部件及整体数值模型
在发动机冷却系统中,热交换器有很多狭窄的隙缝,无法划分足够细密的网格并计算。结合风阻实验,采用等效压力损失模型[4]简化散热器、冷凝器和中冷器结构,并在风扇处应用ALE(arbitrary lagrangian eulerian)模型[6]。采用压力损失模型大大节省了网格单元数量,使仿真具有可行性;采用ALE模型可模拟风扇叶片的实际旋转效果。
1.3 网格划分及边界条件
采用SC/Tetra软件,对整个计算区域进行网格划分。以四面体单元为主,沿壁面插入棱柱体,
其间夹以少量四面体和六面体,是一种非结构混合网格(Hybrid Mesh)[4]。网格精度参照表1推荐值,可使计算在 3～6天完成,且误差小于 5%～10%。发动机舱内各部件如前保险杠上部隔栅的网格(2mm)最细,发动机及其冷却系统等表面网格(5mm)较细,而车身尾部的燃料箱、后悬架和车外风洞流场的网格(12mm)较粗。整个流场单元数约为 2 578万个。发动机舱截面网格如图 2所示。
图2 发动机舱附近截面网格
计算采用不可压缩空气,湍流模型选用标准k-ε紊流模型,迭代方式选用修正的SIMPLEC算法;环境温度为38℃,进口速度为30km/h,出口压力为 0,其他为非滑移壁面边界条件。其他热边界条件由同类机型实验或一维发动机及其冷却系统的热平衡仿真获得。
2 一维与三维耦合仿真
一维发动机热平衡研究是分析不同工况下发动机燃油燃烧释放出的总热量分配到有效功率和各部分散热损失的情况;利用发动机热平衡获得冷却介质带走的热量和一维冷却系统热平衡,进一步分析热量如何通过冷却管道传递到散热器,并经散热器散热的情况[7]。借助Boost和Flowmaster软件对发动机及其冷却系统的热平衡进行仿真计算,其如图3所示。
图3 发动机及冷却系统一维热平衡分析
根据牛顿冷却定律[8],流体与固体壁面之间对流传热的热流与其温度差成正比,因此,一维计算中采用的对流换热的计算公式为
式中:Q为对流换热量;α为对流换热系数;A为壁面面积;Tw和T∞分别为固体表面和流体的温度。
发动机油封一维仿真为三维仿真提供了众多边界条件,而一维仿真中的大量边界条件,特别是各零件、部件的对流换热边界条件则根据经验(样机生产前)或测试(样机生产后)得到。即使有样机,由于测量困难,影响因素太多,难以测得一维计算必需的所有条件,借助三维仿真的结果可以修正一维仿真的边界条件。例如,首次一维冷却系统热平衡仿真时,无法精确考虑冷却系统管道和发动机表面与邻近空气的对流换热,只能根据经验设定,或简化为将全部热量通过散热器散发出去。在模拟发动机舱三维空气流动后,凭借三维仿真的结果来修正一维冷却系统管道和发动机表面与邻近空气的对流换热,从而达到对一维热平衡分析的修正。所得到的一维仿真结果再次作为输入条件提供给三维计算,经反复迭代直到计算结果变化很小为止。该方法定义为整车热管理三维/一维耦合仿真。
3 迭代计算及结果分析
根据图 3一维计算模型仿真的初步结果可获得以下三维计算的边界条件:散热器散热量为24.7kW,冷凝器散热量为4.2kW,中冷器散热量为2.9kW,其他壁面温度见表2。