摘 要：为了研究封闭部分格栅和加装底护板对前端冷却模块性能的影响以及散热器空气侧热流场仿真结果与试验数据的相关性，建立了某排气前置车型的详细机舱热管理分析模型，应用多孔介质模型和旋转参考坐标系(Moving Reference Frame，MRF)方法建立了换热器和散热风扇的计算模型，对前端冷却模块空气侧流场和热场进行仿真并将部分仿真结果与试验数据进行了比较。分析结果表明，封闭部分格栅和加装底护板均能增加中冷器进风量;散热器前风速平均值、前部和后部的温度平均值与试验值相比误差均小于10%;考虑局部高温辐射并与机舱热流场的耦合模拟能大大提高热分析精度。
关键词：安全工程师职称论文,发动机舱,热管理,冷却模块,热流场,热辐射
Abstract：In order to study the influence of partly closing a grille and of adding an engine protection plate on the airflow performance for cooling， and also to present the correlationbetween experiment and the airside thermal fluid simulation of the radiator， a detailed model was built for underhood thermal management analysis， in which the porous media model and moving reference frame (MRF) method were applied to simulate the heat exchanger and the cooling fan. The airside thermal fluid simulation in the vehicle cooling module was performed and some results were compared with the experimental data. It is indicated that both partly closing a grille and adding an engine protection plate can increase the cooling airflow into the intercooler.The average values of the velocity magnitude in front of the radiator and the temperature on both sides are close to the test results with less than 10% errors. Considering the coupling between local thermal radiation and the underhood airflow field can greatly improve the accuracy of thermal analysis.
Key words：underhood; thermal management; cooling module; thermal fluid field; thermal radiation
汽车机舱布置日趋紧凑和排放法规的日益严格，使发动机舱热管理在整车研发中越来越重要。传统的汽车设计过程中，发动机舱前端模块的散热性能设计前期往往是采用经验或工程评估的方法，对工程师的经验依赖性大，产品后期通过风洞试验来验证，出现问题时设计变更周期长且成本高。随着数值分析和计算机技术的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)在汽车研发中的地位不断提高。CFD方法具有成本低、快捷方便、周期短等特点，能获得很多试验手段无法得到的细节信息[1]，逐渐成为与试验研究和理论分析具有同等地位的研究手段。
国外较早就利用CFD技术对发动机舱前端冷却模块流场和热场进行研究，美国通用公司杨志刚等人对前端冷却模块不同排列方式下的机舱流场和温度场进行了对比分析[2]。法国Valeo公司利用数值模拟和风洞试验相结合的方法，对风扇和护风罩造型及前端模块造型进行优化，提高了发动机冷却系统的性能[3]。LAN K. T.等人针对散热器热风回流问题分析了前端导风罩对散热器空气流速、压力分布的影响[4]。国内机舱热管理方面的研究仍侧重于试验和子系统的研究，对热管理系统集成的研究较少[5]。近年来，为提高分析精度，一维和三维联合仿真并考虑流固耦合、热辐射等因素的研究方法成为机舱热管理研究的新趋势 [6-7]。
本文以排气前置的某车型作为研究对象，建立了详细的机舱热管理分析模型，利用商业软件STAR-CCM+分析了封闭部分格栅和加装底护板对前端冷却模块进气的影响，然后将散热器空气侧流场和热场仿真结果与试验数据进行了比较，最后将散热风扇局部热辐射分析与机舱热流场计算进行耦合，提高了热分析结果的精度。
1 研究方法和模拟理论
此外，机舱内部形状复杂，流动漩涡和分离现象明显，应按湍流来处理，本文中湍流输运方程选择Realizable k-ε高雷诺数模型，其已经被有效地用于各种类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流，管道内流动以及带有分离的流动[9]。
1.2 计算模型
1.2.1 网格划分策略
本文选用排气前置的某车型作为研究对象，建立整车全尺寸模型，包括车身总成、机舱总成、底盘、动力总成、外饰件及机舱内所有对流动计算有重要影响的部件，忽略少量小尺寸部件(如小管道、筋板等)。设整车长为L、宽为W、高为H，综合考虑风洞阻塞效应[10]及硬件的计算能力，数值风洞长、宽、高分别设置为12 L、6 W和6 H，具体为车头前部4 L，车尾后部7 L，体网格在壁面拉伸生成3层边界层网格，第1层的厚度满足30 本文研究对象的散热风扇采用同向旋转的双风扇，风扇采用MRF方法来模拟。MRF方法是一种稳态计算方法，风扇域网格并非真实运动，而是通过将动量源加载到风扇叶片旋转扫过区域的网格。MRF方法能很好地平衡计算效率和结果精度，在工程中得到广泛应用。
1.2.3 边界条件和求解设定
流场计算边界条件设置见表2。温度场计算时环境温度为45℃，机舱内零部件热源边界根据试验数据来设置。采用有限体积法对控制方程进行离散，各物理量全隐式分离求解，压力速度耦合采用SIMPLE算法，空间离散满足二阶精度，残差标准能量方程设置为10-6，其余项设置为10-3。
2 前端冷却模块流场影响因素研究
2.1 封闭部分格栅对冷却模块进气的影响
为提高整车气动性能，在满足热管理要求的前提下，封闭部分格栅是很有效的手段之一。封闭格栅时，上格栅封闭区域以散热器芯体左、右边界为界限，下格栅封闭区域以中冷器芯体左、右边界为界限，如图3所示。
由图4和图5可知，不论采用哪种格栅封闭方式，低速工况和高速工况中冷器进气量均明显增加。封闭上格栅时冷凝器和散热器进气量稍有增加，封闭下格栅时进气量稍有下降。
封闭部分格栅导致冷却模块进气量增加，原因有两个：(1)车头正压区基本不变，封闭部分格栅后，进气面积减小，在相同压力作用下，进气速度会提高，从而增加了进风量。(2)封闭部分格栅后，进入机舱两侧的气流流速降低，压力相对于未封闭格栅时升高，对其它部位气流的抽吸作用减弱。
封闭上格栅两侧不影响冷却模块进气，但会导致机舱左侧和右侧的温度上升，加剧此区域内重要零部件的热害风险。
2.2 底护板对冷却模块进气的影响
基于未封闭格栅的模型，分析加装发动机底护板对冷却模块进风量的影响。
由表3可知，加装底护板后，低速工况中冷器风量增加了9.46%，冷凝器和散热器风量变化很小，高速工况各冷却模块风量基本不变。
汽车行驶时从下保下缘流过车底的气流速度快，压力低。图6中不带底护板时，低速工况下从下格栅进入的气流容易受到车底气流的吸引而改变方向，提前流出机舱。图7中加装底护板后，隔绝了底部气流对下格栅来流的干扰，有利于中冷器进气。
加装底护板对中冷器进气和整车气动性能有积极作用，但对油底壳散热不利。由图8和图9可知，低速工况下，不带底护板油底壳迎风面风速(平均风速为1.58 m/s)明显比加装下护板(平均风速为1.41 m/s)的高，后者平均风速降低10.8%。
2.3 冷却模块进风面速度均匀性比较
由表4可知，低速工况下，冷却模块进气主要靠散热风扇抽吸作用驱动，离风扇最近的散热器进风面速度分布均匀性较冷凝器差。高速工况下，前格栅进气占主导作用，中冷器和散热器的进风面速度分布均匀性较低速工况变好，由于格栅在冷凝器上的正投影面积有限，冷凝器的速度分布均匀性变差。
3 散热器空气侧仿真结果与试验数据的比较
整车试验选择在国内某风洞中心进行，试验环境温度为45℃，相对湿度为50%，阳光模拟强度为950 W/m2。试验车辆未封闭格栅，不带下护板，试验工况为低速爬坡(车速40 km/h，坡度10%)，取热平衡后的试验数据进行对比分析。
为获得散热器前部风速、前部和后部温度分布，试验中在散热器前部布置了12个叶轮式风速仪，在散热器前部和后部分别布置了9个温度传感器，如图10所示。
表5中散热前平均风速仿真值与试验值均大于设计值2.68 m/s，两者误差小于5%，说明在总的通风量方面，仿真值比较接近试验值。散热器前部和后部温度平均值误差均小于10%，满足工程分析需要。
发动机舱内靠近高温源(排气歧管等)的零部件受热辐射影响很大，在机舱热流场分析时考虑热辐射，计算开销巨大。通常的做法是对关注的零部件单独计算局部热辐射影响并与机舱热流场进行耦合。
对于排气系统前置的发动机，散热器电子风扇受排气歧管、催化转化器及对应隔热罩的辐射影响很大。本文中散热风扇热辐射分析模型仅包括发动机本体、排气系统、变速器和散热风扇，如图14所示。
由图15可知，考虑辐射时风扇护风罩表面温度比不考虑辐射时要高，整个护风罩温度分布明显反映高温辐射影响，即越靠近高温源温度越高。
5 结论
本文对某排气前置的车型进行了前端冷却模块空气侧热流场仿真并将部分仿真结果与试验数据进行了比较，结论如下：
(1)封闭部分格栅和加装底护板均能提高中冷器进气量，但加装底护板对油底壳散热不利。低速工况下散热器进风面速度均匀性较差，而高速工况下冷凝器进风面速度均匀性较差。
(2)散热器前风速平均值、前部和后部温度平均值与试验相比误差均小于10%，散热器前平均风速满足设计要求且留有一定余量。从仿真和试验结果来看，该车型发动机舱冷却模块和进气格栅的匹配设计合理。
(3)散热风扇考虑和不考虑热辐射影响的对比分析表明考虑局部高温辐射与机舱热流场的耦合模拟能大大提高热分析精度。
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