施鹏飞，李飞，于剑泽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

基于一、三维耦合的车辆热管理研究与优化

施鹏飞，李飞，于剑泽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

文章研究了发动机舱流场及进气量对冷却系统的影响，应用一维、三维耦合分析方法对车辆在高温环境下的爬坡工况进行数值模拟。通过使用STAR CCM+软件计算得到冷却模块通风量，输入AMEsim软件计算发动机冷却液水温，评价冷却性能是否满足设计要求。通过分析发现发动机冷却液温度未能满足设计目标要求，主要原因是车辆冷却模块周围有明显的气流泄漏现象，通过添加冷却导风板和封堵部分进气格栅的方法使冷却模块的进风量有显著的提升，高速爬坡工况下散热器进气量提高13.8%，发动机冷却液由125.3℃下降到118.5℃，通过优化达到了设计目标。

发动机舱；冷却系统；冷流场；进气量

前言

在传统汽车设计开发过程中，冷却系统属于车辆热管理的一部分，一般采用经验设计和工程评估的手段。但是，由于发动机舱的结构复杂及试验手段的局限性，很难准确的捕捉到机舱内的流场特性，而且试验手段在车辆开发初期很难准确的实现。仿真分析具有成本低、周期短、可更改性强等特点，已经成为车辆开发过程中至关重要的手段。

国外对于发动机舱热管理的研究较早，V.Damodaran和S.Kaushik利用CFD分析软件FLUENT对汽车发动机舱进行仿真计算，并与实验数据对标，验证了仿真分析的准确性[1]。Norihiko Watanabe等利用一维和三维耦合仿真分析的方法，分析了发动机舱内的气流流动情况和零部件之间的热传递情况[2][3]。2009年Vivek Kumar等采用CFD和Flow Network Modeling相结合的方法，对发动机舱内流场进行了研究分析，仿真计算结果与试验结果非常吻合，验证了这种方法的可靠性和实用性[4]。沃尔沃公司利用 POWERFLOW 软件对汽车冷却系统进行了优化改进，通过对冷却零部件的优化选型，使发动机舱内的散热性能得到显著提升[5][6]。国内对于发动机舱热管理的研究技术也日渐成熟，2003年，齐斌利用软件KULI建立了某款车辆的热管理系统模型，通过对风扇风量的仿真计算表明可控制风量的风扇对于降低冷却系统功率消耗有明显的作用[7]。成晓北应用软件Flowmaster分析了整个柴油机的冷却系统热平衡及循环过程，并通过试验方法验证了仿真模型的准确性，针对存在的问题进行结构优化[8]。周建军利用软件Fluent对某款轿车的冷却系统进行仿真分析，并与实验进行对比，评估了冷却系统的性能[9]。赵永坡应用CFD模拟分析了怠速工况下某款轿车发动机舱内的流场情况，通过添加导流通道解决了冷却模块周围存在的气流回流问题[10]。

本文以某车型作为研究对象，建立了详细的三维整车热管理分析模型以及一维冷却模型，利用一维与三维耦合的方法分析了机舱流场及机舱进气量对冷却系统的影响，在分析结果的基础上对车辆进行结构优化，使冷却性能达到设计要求。

1 基本控制方程及湍流模型

1.1 基本控制方程

考虑到汽车机舱内部的气流速度角度且密度变化小，假设气体为粘性定常不可而压缩流体，基本控制方程为[11]：

连续方程：

动量守恒方程：

能量方程：

雷诺时均方程

用于描述写湍流的纳维-斯托克斯方程很难应用解析方法来进行求解。因此，学者们主要通过统计学或者平均的方法来解决湍流问题，雷诺时均方程作为主要解决湍流问题的方法其连续方程和动量方程为：

1.2 湍流模型

根据确定粘度方法的不同，湍流方程可以分为零方程模型、一方程模型、两方程模型，其中常用到的模型是两方程模型。基本的两方程模型是标准k-ε模型，此外还有修正的RNGk-ε模型和 Realizablek-ε模型[12]。Realizablek-ε模型在边界层及剪切流流动中的适应性较好，因此，本文选用Realizablek-ε模型。

2 仿真模型搭建

考虑车辆行驶的极限情况为车辆仿真计算的工况,即汽车爬坡的情况，环境温度设定为38℃。确定计算工况后，使用三维整车仿真计算出一维所需要的计算边界条件（格栅进气量、多孔芯体风速等），再运用一维仿真分析出发动机冷却液水温度，用以判断是否满足车辆的冷却性能。

2.1 三维计算模型

2.1.1 网格划分

本文基于某车型作为研究对象，建立整车全尺寸模型，网格划分时，忽略少量小尺寸零部件。设车辆长、宽、高分别为L、W、H，流体域为车前3L，车后6L，宽度为6W，高为6H。体网格划分时，机舱内部及车辆前端添加边界层，并且在车头和底盘添加网格局部加密区以提高计算精度。计算采用Trimmer网格，最终生成体网格数为43419981，机舱部分体网格Y=0mm剖面如图1所示。

图1 Y=0剖面体网格

2.1.2 边界条件设定及参数设置

三维仿真分析计算的边界条件如表1所示，控制方程采用有限体积法进行离散，物理量选择全隐式分离求解，压力与速度耦合采用SIMPLE算法，空间离散格式为二阶精度迎风格式。

表1 边界条件设定

2.2 一维计算模型

车辆冷却系统中，常用到的换热器包括、冷凝器、散热器等等，主要热源为发动机本体，冷却液为 50%乙二醇+50%水，本文基于自然吸气动力总成冷却系统搭建了一维冷却系统的模型，如图2所示。

图2 冷却系统示意图

计算中采用的数据均由台架试验获得，边界条件如表 2所示，发动机扭矩、转速以及水泵转速均采用当前工况下扭矩和转速。由于冷凝器不属于冷却系统，冷凝器的散热量取当前工况点下发动机对应转速下的放热量。

表2 边界条件

3 计算结果分析及优化

3.1 计算结果

汽车在行驶的过程中，机舱内冷却模块的散热主要是通过来自进气格栅和冷却风扇的气流进行热交换，从而带走零部件表面的热量，来达到冷却的目的。因此，通过对发动机舱内的流场分析能够清晰的看清气流的走向，进而分析出当前车辆结构形式是否能够满足冷却系统的需求。

图3所示为高速爬坡工况下Y=0mm处的速度分布图（速度显示范围0-10m/s），从图3中可以看出，气体通过进气格栅进入舱内后，部分气流未经过冷却模块，即冷却模块周围有明显的气流泄漏。

图3 速度分布

当前结构形式下散热器和冷凝器的进气量如表2所示，根据三维计算出的进气量值代入一维模型中计算后，得到各工况下的发动机水温值如表3所示：

表3 发动机水温

从仿真计算的结果可以看出，在高速爬坡工况下冷却液温度不满足要求。

一般在冷却液温度超过目标值时，通常可以采用添加导风板和密封、封堵部分进气格栅、增加风扇的转速等方法来增加散热器的进气量，从而达到降低冷却液温度的目的。本文仅从结构优化的角度来实施优化。因此，在结构上封堵了部分进气格栅并且添加了导风板。

3.2 优化分析计算结果

3.2.1 结构优化模型

根据发动机舱内的流场及一维冷却系统的仿真分析结果可知，由于冷却模块周围出现明显的气流泄漏现象，针对这一问题采用添加导风板来增强冷却模块的进气量，进而改善气流的流动，增加冷却模块的进气量，冷却导风板的结构如图4所示。

图4 冷却导风板

此外，为了增加冷却模块的进气量，封堵了部分进气格栅，优化后的进气格栅如图5所示。

图5 冷却导风板

3.2.2 结构优化结果

图6 速度分布

从图6中可以看出，优化后，在冷却模块周围气流流失的现象得到明显的改善。经过冷却模块的进风量与优化前相比有明显的提升（如表4示）。高速爬坡工况下，散热器进风量增加13.8%，冷凝器进风量增加11.3%；低速爬坡工况下，散热器进风量增加 5.5%，冷凝器进风量增加 5.7%，计算结果表明本文所采用的优化方法对提升冷却模块的进气量有明显的作用。

表4 冷却模块进气量

将表4计算得到的冷却模块进气量重新代入一维仿真模型得到冷却液温度如表5所示，从优化后一维仿真的结果可以看到，高速爬坡工况下冷却液的温度已经满足目标要求，说明针对此款车型，通过封堵部分格栅和添加冷却导风板是合理的，并且达到了降低冷却液温度的目的，满足设计目标。

表5 发动机水温

4 结论

本文通过一、三维的耦合计算模拟了某款车在极限工况下的冷却系统及发动机舱内气流流动情况，并针对存在的问题提出合理有效的优化方案，使该车型发动机舱冷却模块和进气格栅的匹配更加合理，在车辆开发初期为热管理系统的工程设计提供一定的指导和参考。

结果表明：

1）通过对三维冷流场的分析可知冷却模块周围存在比较大的气流泄漏，得到了冷却模块的进气量；一维冷却分析结果表明，在高速爬坡工况下冷却液的温度超过了设计目标。

2）根据对发动机舱内流场的分布情况，提出了增加冷却导风板及封堵部分进气格栅的优化方案。结果表明，优化后车辆的冷却模块周围泄漏的气流明显减少，高速爬坡工况下，散热器的进气量能够提高 13.8%，最后一维分析验证了优化方案对冷却液温度的降低起到了明显的作用，使其达到了工程设计要求。

[7] 齐斌.载重车热管理系统仿真.

[8] 成晓北.潘立.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算.

[9] 周建军,杨坤.数值模拟在整车热管理中的应用.

[10] 赵永坡,刘鹏.发动机舱过热的仿真分析.

[11] 陶文铨.数值传热学(第 2版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001:4-5.Tao Wenquan.Numerical Heat Transfer(2nded.) [M].Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2001:4-5. (in Chinese).

[12] 某新车型发动机舱热管理的研究与改进.

Research and Optimization of Vehicle Thermal Management by 1D-3D Coupling

Shi Pengfei, Li Fei, Yu Jianze
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

The influenceof underhood and the cooling airflow on the cooling systemairflow characteristic are researched by using the 1D/3D coupling method. By using STAR CCM+ software the airflow on the cooling system is got,and then input 3D result to AMEsim software to calculate the temperature of coolant to evaluate the cooling performance.The analysis shows that there has obvious air leakage around the cooling module and the temperature of engine coolant failed to reach the requirements of design. By adding an cooling air guides and closing partial grilles could increase theamount of airflow observably,the airflow of radiator increased by 13.8% under the high speed climbing, the temperature of engine coolant decrease from 125.3℃ to 118.5℃,which reach the requirements of design.

Underhood; Cooling System; Numerical Simulation; Amount of Air

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-47-04

U467.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-47-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.017

施鹏飞，就职于华晨汽车工程研究院。