方升

摘要：在能源危机、排放法规日趋严格和乘坐舒适性要求的提高背景下，对车辆热管理的要求越来越高。本文主要就汽车冷却系统换热性能做数据收集工作，性能边界数据包括试验测试数据和仿真分析结果，文中利用试验测试与仿真分析手段对水泵性能数据、节温器性能数据和散热器性能数据进行测试与计算。并将分析结果与试验数据对比，验证分析精度，根据分析结果与试验数据可知，分析结果具有足够的精确度，CFD仿真分析方法可以应用于产品开发中，指导产品设计。

关键词：热管理;CFD仿真分析;性能测试;冷却系统;对比

0  引言

车辆热管理研究涉及多种边界条件，首先通过计算及测试手段获取各性能数据，换热分析常涉及如各换热元件的性能参数、热管理工况点、各个部件的换热量、发动机水套本体性能和换热部件的空气量边界等。不同类型的数据获取方式不一样，零部件性能数据可以利用台架试验测试得到，一些无法试验获取的数据可以通过仿真分析确定。接下来就部分部件测试过程及测试结果进行讲解，主要部件为水泵、节温器、散热器。

1  冷却模块性能数据分析与测试

冷却模块主要包括冷却水泵和节温器，其中水泵主要的功用是对冷却液进行加压，保证冷却液在冷却系统中循环流动，汽车中常用离心式水泵，主要结构包括水泵蜗室、叶轮、旋转轴及进出水口等结构。冷却模块另一个结构为节温器，节温器是控制冷却液流动路径的阀门，节温器根据冷却液温度的高低来控制冷却液是否流向散热器。

1.1 冷却模块的仿真分析

首先确定冷却模块中的水泵和节温器性能数据，为了验证这两个部件性能数据的准确性，首先对这两个部件进行仿真分析，获取节温器流阻性能数据和水泵单体性能数据，然后再利用台架试验验证分析结果的准确性。

冷却模块CFD（计算流体动力学）首先依据三维几何模型进行流体域的抽取，然后再通用有限元软件中进行几何处理和面网格的划分，接着在流体软件中生成流体网格并将边界条件输入，最后进行CFD分析以及计算结果的查看。

首先对冷却模块进行流体域的抽取，将冷却模块流体域各进出口进行了标注，该结构主要包括节温器和水泵两部分。然后对冷却模块进行模型处理及网格划分，最后生成流体域，为了保证分析结果准确性，需要保证网格具有较好的质量，最后给定不同的流量和压力边界进行冷却模块的CFD分析。

根据不同流量和压力边界下的分析结果统计出节温器流阻性能曲线和水泵单体性能数据，结果如图1所示。其中图2为节温器流阻特性仿真结果。图3为水泵单体性能仿真分析结果，水泵扬程数据与系统阻力情况直接决定系统流量分配情况。

1.2 冷却模块试验

为了保证节温器流阻数据和水泵单体性能数据的准确性，需要进行节温器单体台架试验和水泵单体性能台架试验。

首先进行节温器单体性能试验。通过压差传感器测量测试部件两侧的压差，通过调节阀调节测试系统阻力，进而实现变流量测试，通过流量计获得通过测试部件的流量大小，系统中的泵部件为动力部件，实现系统流量的流动，水箱对多余的液体进行储存及加热的作用。最后进行测试数据处理并绘制成节温器压损特性曲线，具体数据如图2和图3所示，根据图中仿真分析结果和试验测试数据对比可知，两组数据偏差在10%以内，说明仿真结果具有足够的精度，也说明测试数据结果可信，可以应用于后续计算中。

水泵单体性能试验台架的主要结构包括控制柜、储水箱、水泵安装台、传感器、驱动电机和控制阀。驱动电机与试验台通过皮带连接，进行水泵单体性能测试，并对每一个测试点数据稳定后读取数据，对数据进行处理，保证数据测试结果的准确性。根据试验测试数据与CFD仿真分析结果对比可知，两组数据在各流量点下对应较好，数据具有足够的精度，该测试数据可以应用于后续冷却系统换热分析中。

2  散热器性能测试及分析验证

散热器是由进水室、出水室和散热器芯体组成，安装在发动机前的车架横梁上，其作用为将冷却液在水套中吸收的热量传递给外界环境，进而达到降低水温、保证发动机正常工作的目的。散热器因为承担着系统主要散热的作用，其性能数据的准确系统直接影响换热分析结果的精度。散热器主要的性能为换热性能曲面、水侧流动阻力和风侧流动阻力。

2.1 散热器单体试验

散热器单体试验测试条件为：液气温差60℃，水流量分别为80L/min、100L/min和120L/min，风速分别为2m/s、4m/s、6m/s和8m/s，冷却液为50%的乙二醇溶液。

搭建好单体性能台架，对散热器进行性能测试，得到具体测试结果如表1所示，表中主要参数为不同水流量下的散热器水侧阻力，不同风速边界下的散热器风侧阻力和不同边界下的散热器换热量数据。然后对测试的数据进行处理，得到该车型的散热器换热性能曲面、散热器风侧阻力、散热器水侧阻力。

2.2 散热器CFD分析

这三组数据直接决定散热器的性能，对冷却系统仿真分析及发动机舱的CFD分析结果的准确性均有着重要的影响。所以为了验证数据的准确性及进行模型的校核，搭建散热器單体仿真分析模型，将试验边界数据输入到分析模型中，进行散热器单体性能的CFD分析，取风速8m/s、冷却液流量120l/min、进水温度为90℃、进风温度为30℃的试验工况。进行散热器双流模型的CFD分析，根据温度场分布可知与实际温度分布预期相似。

3  结论

该工况下散热器的换热量数据如图4所示，计算边界下最终换热量数据平衡到56800W，而试验测试数据为56.2kW，仿真分析结果和试验数据符合较好，说明结果具有足够的精确度，可以进一步应用于汽车冷却系统仿真分析及发动机舱CFD分析中。

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