叶诚伟， 吴长风， 于国飞， 林雪芳， 方 忠， 赵紫薇

(1.厦门理工学院 机械与汽车工程学院， 福建 厦门 361024；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司， 福建 厦门 361023)

随着人们对汽车的动力、舒适、安全、经济性能的要求不断提高[1-2]，各种多功能小型电器设备在车内不断增加，导致车辆本身的运行功率不断提高；发动机舱的安装部件也越来越密集，机舱内机器长时间运行，舱内环境温度急剧升高，对机舱散热性能也提出了更高的要求[3-4]。由于前期设计并没有考虑后舱门开口对发动机舱散热性的影响，因此本文利用CFD分析方法，通过改变某款客车发动机舱门上的开孔位置，进行多种情况的热管理仿真分析及验证，找出开孔位置优化设计的方法，为客车的发动机舱设计提供参考[5]。

1 数值模型建立

1.1 模型处理及网格生成

为尽量模拟真实流场的流动情况，采用整车分析，并通过Hypermesh网格划分软件对车身、底盘及发动机舱内复杂的零部件进行模型简化处理，同时，对模型进行包面，使其完全封闭。全模型采用三角形单元划分，网格单元的大小总体在5～20 mm之间，细小部分采用1～2 mm的单元。将生成的面网格输出为流体软件可接受的“nas”格式文件，并将其导入STAR-CCM+流体软件中，建立计算域(车前为3倍车长，车后为4倍车长，宽度为7倍车宽，高度为5倍车高)，并进行面网格重构，再利用软件中的体网格模型(Trimer)生成体网格，最终基础模型(未开孔)生成的体网格数量为1 612万个。建立完成的模型如图1所示。

1.2 数值模拟方法

公路上汽车的最高行驶速度均小于声速的1/3，在此速度范围内，流场中压力和温度与自由流相比，数值变化很小，可认为空气是不可压缩的，其密度保持不变[6-7]。

(a)发动机舱部件表面网格

(b)计算域网格示意图图1 CFD仿真模型

控制方程的离散及数值解法将采用有限体积法建立离散方程，空间离散选用二阶迎风差分格式，计算方法采用simple算法[8-9]。

湍流模型选择Realizable K-epsilon模型，相对于标准k-ε模型，更利于捕捉近壁面低雷诺系数情况下的湍流流动[10]。

1.3 边界条件设置

1) 计算域入口设置速度条件为90 km/h，压力出口为0 Pa，环境温度为35 ℃，地面采用滑移地面，且速度与客车行进方向来流大小相同，方向相反。

2) 采用多孔介质来模拟中冷器、散热器的阻力特性，其黏性阻力系数和惯性阻力系数由实际试验数据拟合的“压力—流速”曲线获取。

3) 风扇采用MRF(Moving Reference Frame)模型，设定其转速为1 736 r/min。舱内发动机、排气管、消声器等表面热源温度均由实车热平衡试验获取。

2 计算结果及试验验证

2.1 后舱门开孔情况的舱温仿真对比

图2为发动机后舱门4种不同开孔方案，其中方案A为仅在左上角开孔；方案B为仅在右上角开孔；方案C为仅在左下角开孔；方案D为仅在右下角开孔。基础模型(BASE)为不开任何孔洞。

图2 4种不同开孔的后舱门

相对于基础模型，方案A、C中发动机周围整体舱温略有下降，但局部高温无明显减少；方案B中发动机周围区域局部高温有所减少，周围区域温度整体略有下降；方案D中发动机周围局部高温大幅度减少，舱体温度整体下降，分布更均匀。其中基础模型和方案D的温度云图如图3所示(每幅图的上方为基础模型方案，下方为方案D)。

(a) 截面X=6.5 mm (b) 截面Y=0 mm (c) 截面Z=0.6 mm图3 基础模型与方案D温度对比云图

综合分析，靠近风扇一侧开孔的方案B、D的散热效果比较理想，发动机等重要零部件附近局部高温减少，发动机舱温整体有所下降，温度分布更均匀。

2.2 不同开孔位置散热效果差异原因分析

在客车行驶过程中，发动机冷却系统中的冷风主要是通过风扇装置的卷吸作用，将车身侧格栅外的前方来流吸入到发动机舱内，途中流经散热器、中冷器等装置，并和从底盘等位置流进的冷风一同对高温零部件进行冷却。介于风扇本身的工作特性，在风扇出口处会产生较大的负压力，在一定程度上影响着周围气压大小的变化，这使得此处的舱内外压力具有较大的差异。因而在B、D开孔方案中，开孔位置处会有较大的气流交换，并因风扇卷吸作用造成发动机舱内空气特殊的循环流动(舱体右侧呈逆时针方向流动)方式，使发动机周围的高温气体得到更快排出，大大提升了舱体的散热能力，散热效果最好。本文进行了发动机后舱门不同开孔方案的压力分布的仿真分析，仿真分析结果对此进行了验证，因篇幅关系，此处不再给出具体仿真结果。

2.3 试验验证

试验在高温天气下进行，室外温度约35 ℃，客车以90 km/h的速度行进，对应不同开孔方案，用锡纸和胶布对其余开孔进行封堵，在舱内前后左右共设置温度传感器15个。1、9分别为左右尾灯处，5、11分别为发动机左右侧风道处，2为增压口处，3为排气制动处，4为动力转向油管处，6为进油管处，7为水箱进气管处，8为水箱上方，10为风扇正后方，12、13、14、15分别为方案A、B、C、D开口处的正后方。

图4为BASE方案的13处温升仿真与试验对比结果。在5、11两处的测温点，由于实际设置传感器时，传感器是绑在这两侧带有热量的捆线上的，而仿真时，没有考虑不同材料间热辐射的影响，简化的模型中省略了复杂的管线，两处流动的新鲜气流导致所得温度大致为环境温度，因而在仿真与试验温升对比中去掉这两处结果。从剩下位置点的仿真与试验所得数据可以看到，温度变化趋势较为一致，且除第一点外各测点的误差均在10%以内，仿真是有效的。

图4 BASE的仿真与试验温升对比折线图

试验中几种开孔方案的平均温升(测点舱温-环境温度)相对于BASE方案均有下降，其中BD组合方案平均温升最低，降低了3.39 ℃，而ABCD组合的全开方案，也只降低了4.72 ℃，说明后舱门开孔可以加强发动机舱的散热能力，且在靠近风扇一侧开孔的BD组合方案散热效果更佳。具体如表1所示。

表1 不同方案的平均温升对比

3 结束语

1) 发动机舱内的温度分布是复杂的，温度传感器的安装位置不同，也会影响平均舱温的测试数据，在试验和仿真精度上，后续还有待提高。但整体而言，仿真和试验结果都表明，开孔位置在客车后舱门风扇一侧的时候，更有利于发动机舱体整体的散热。

2) 由于大部分湍流都在客车尾部，此处造成的灰尘流动会很大，且为应对不同天气情况，比如风沙暴雨天气，后舱门全开孔不太合适，所以需要针对性地对客车后舱门开孔进行研究，封闭一些对散热影响较小的开孔，并找出散热效果较好的位置进行开孔，最大化利用此处开孔所带来的散热作用。

3) 准确有效地运用CFD仿真技术，可以直观地对发动机舱整体的气流流动进行观察，更能够为下代客车在设计阶段就提供指导意见，减少后期因设计不当所带来的损失。

参考文献：

[1] 王丽华，李义林.基于CFD技术的机舱热管理分析及其结构优化：中国汽车工程学会年会论文集[C].北京：机械工业出版社，2015：21-23.

[2] 刘胜军.汽车发动机舱散热特性数值分析与优化[D].长沙：湖南大学，2012.

[3] 王琪，于明进，黄万友，等.基于FLUENT的汽车出风口和进气格栅对发动机舱温度场分布的影响[J].山东交通学院学报，2016，24(1)：1-6.

[4] 傅立敏.汽车设计与空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2010:31-33.

[5] 陈义.基于STAR-CCM+的发动机舱热管理分析[J].机电技术，2014，38(1):93-94.

[6] 李明，李明高，等.STAR-CCM+与流场计算[M].北京：机械工业出版社，2011:8-11.

[7] 费洪庆，田杰安，雷舒荣，等.客车发动机舱的热管理系统CFD分析[J].内燃机与动力装置，2014,31(1)：25-28.

[8] 王晶，张成春，张春艳，等.客车侧围格栅对发动机舱内热环境的影响[J].吉林大学学报(工学版)，2012，43(3)：563-568.

[9] 王晶，张成春，张春艳，等，客车后舱门开孔对发动机舱体散热的影响[J].农业机械学报，2012,43(9)：31-36.

[10] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京：北京大学出版社，2011:47-50.