论文及案例优秀作品 | 基于Fluent的某型商用重卡快速热管理分析

作品赏析（5） | 基于Fluent的某型商用重卡快速热管理分析

发动机舱三维热管理仿真是整车CFD/CAE仿真的难点，建模效率和仿真精度对于工程师来说非常关键，本文使用Ansys Fluent对我司某型商用重卡进行了发动机舱流场/温度场进行了三维仿真，前处理建模过程采用Fluent Meshing最新的导航式工作流程，该流程极大提升了建模效率，求解计算过程引进最佳实践并通过对不同网格密度进行对比，进一步确认了我司的最佳实践。整套流程方案已成功用于我司车型开发及性能预测中。

热管理、商用车、重卡、Ansys Fluent、CFD最佳实践

一汽解放汽车有限公司

李达、金华玉、包宁

发动机舱属于半封闭式的空间，其内部布置了动力总成系统、进排气系统、冷却系统等众多复杂的部件。随着人们对汽车动力性，舒适性以及安全性的要求越来越高，越来越多的电子器件被集成到发动机舱内，由此给发动机舱内的散热带来了更大的困难，发动机舱热管理已经成为汽车开发过程中工程师们面临的必要分析项。

仿真已经被证明可以有效的辅助和指导热管理设计，热管理模型特别是三维模型的建立也同样受部件复杂性影响，其前处理过程往往占据分析工程师大量的人工时间，同时分析工况中的物理现象的复杂性，如强制/自然对流传热、热辐射等现象，也对仿真的精度提出了挑战，一套成熟而有效的仿真最佳实践是提升分析效率的关键。

本文以我司的一款商用车发动机舱过热分析为研究背景，运用商业CFD软件Ansys Fluent进行了发动机舱流场与温度场仿真分析，仿真流程中引入我司最佳实践，引导快速完成分析过程。

2.1 热管理开发流程

热管理贯穿发动机开发和整车开发，从前期的概念、方案设计阶段一直到后期的工程化设计阶段及试验验证阶段。特别是在前期热管理工作十分重要，有效的前期设计可以大大提高设计开发的成功率，缩短开发周期，降低开发成本，提高产品品质。通过经验积累和技术标准的建立可以有效地压缩前期设计的工作量，进一步缩短开发周期。

2.1.1概念、方案设计阶段

在本阶段中，需要开展参考车/竞争车环境舱热害试验和散热分析，通过对参考车/竞争车进行对标解析，为产品开发提供参考；需根据车辆及发动机信息确定热管理目标工况、相应工况下发动机工作状态、发动机出水温度、机油温度限值、关键部件工作温度限值等确立热管理性能目标；需进行发动机冷却系统分析，确定冷却液流量分配、水泵性能要求、散热器换热量要求及各部件参数；需要发动机台架试验，进行发动机性能及热平衡参数测试。

同时也需要进行前端冷却模块布置设计，确定冷却模块及冷却风扇的型号、位置以及相对位置关系，确定进气格栅正投影面积的要求；进行冷却部件单体试验，对冷却部件的性能参数进行测试，如阻力性能、换热性能和排风性能；进行杂合车舱内散热分析和热害试验，对杂合车状态数据进行舱内散热分析，评估杂合车发动机舱内的散热情况，为下一阶段开发提供参考；需要对CAS面及布置数据舱内散热分析，评估舱内散热情况是否满足设计要求，并对舱内布置进行优化，确保达到热管理性能设计目标。

2.1.2 工程化设计阶段

本阶段需要对工程化数据进行舱内散热分析，评估舱内散热情况，确保工程化数据能够达到热管理性能设计目标。

2.1.3 试验验证阶段

本阶段需要设计样车环境舱热害试验，对设计样车发动机舱内散热情况进行测试，确保满足热管理性能设计目标；需要进行工装样车环境舱热害试验，对设计样车发动机舱内散热情况进行测试，确保满足热管理性能设计目标。

2.2 仿真手段的应用及三维分析的需求

仿真手段特别是商业化CFD分析软件已经被广泛引进热管理仿真流程，下图是仿真工具在热管理流程中的应用。

三维CFD仿真分析需具备不同层次的最佳实践，包括：

• 前端冷态流动分析：建立全车尺度模型快，通过空气动力学最佳实践快速预测冷却模块风量；

• 含换热器模型的前端流动/传热分析：建立全车尺度模型预测前端冷却风量，同时预测冷却液温度以及获得散热器匹配放热量；

• 热分析(部件级)：增加关键固体部件预测表面温度，如排气系统，及潜在热害部件的温度、如悬置橡胶件；

• 热分析(整体)：建立完整的车辆模型，可预测多个部件的综合热状况，如流经冷却模块的冷却液流动和热量传递，油箱冷却状况、刹车盘热状况等，以及非稳态热状况。

三维CFD仿真分析工具的技术功能需求包括：

• 应对网格生成的挑战

• 应对上游CAD模型质量问题

• 求解器：收敛性、稳健性、精度的综合要求

• 优秀的并行计算性能

我司以某款商用重卡发动机舱过热分析为研究背景，运用商业CFD软件Ansys Fluent进行了发动机舱流场与温度场仿真分析，仿真流程中引入我司最佳实践，引导快速完成了相关分析过程。

3.1 前处理解决方案

3.1.1 几何数模

几何数模来自我司某型重卡：包含外车身、动力总成（发动机和进排气系统）、冷却系统（冷凝器、散热器、中冷器和风扇）、底盘系统等与机舱分析相关数模，数模采用STL格式。

3.2.2网格生成

基于新的Ansys Fluent Fault-Tolerant导航式网格流程完成，流程中主要功能包含，导入部件/创建计算域/加密区/多孔介质/材料点；包面（含重构）设定：漏洞设定/尺寸/防接触/质量指标等；体网格设定（边界层/网格类型）；体网格生成&质量提升。

本例中我们制作了两套疏密不同网格用于对比分析，网格数分别为4300万和8800万。

（c）

   图 (a)包面网格 （b）体网格 （c）体网格局部

3.2 求解设定及结果分析

3.2.1 模型设定一览如下：

• 怠速/20kph/30kph （及各自进气量）

• 环境温度

• Realizable K-E Turbulence model

• 热源: CAC, condenser & Radiator

• MRF风扇模型

• 多孔介质模型

• 基于压力的Couple求解器

• 2nd-Order 迎风格式

• Hybrid Initialization

• AMG stabilization Method: GMRES

• Poor Mesh Numerics

3.2.2 计算结果分析

计算结果我们首先对比了两套网格（下图中1为基础网格，2为加密网格）的中截面速度场计算结果图（a），两套网格计算结果基本一致，加密网格在车头后方识别出了更多的流动细节。在冷却模块附近图（b），两套网格结果近似一致，但在发动机周边，气流状态有所不同。

对两套网格的压力场和发动机周边速度场如图（c）和图（d）所示。图（c）是压力系数分布，两套网格在车头迎风面滞止区范围基本一致，在车门附近负压区域稍有不同。图（d）是发动机壁面附近风速对比，由于在风扇下游，被来流高速吹过，发动机前方的复杂部件对流动产生了各种阻碍，速度场具有差异。

对两套网格的冷却模块风量对比如图（e）所示，冷凝器/中冷器/散热器的风量基本一致，体现了基础网格（网格1）可以满足风量分析要求。图(f)是散热器芯体速度分布云图，两套网格具有很好的一致性，进一步说明换热器芯体的结果受网格影响已消除。

(e)

热管理是整车开发过程中工程师们面临的必要分析项，仿真的引入无疑提升了分析效率，本文介绍了我司的热管理方案和仿真流程，并对近期我司采用Fluent新版本对某型重卡进行三维热管理仿真的算例进行了说明，新版软件相对于以往版本有了较大提升，除了保持高精度和收敛性外，在前处理效率和使用效率方面有很大提升，我们对此做了相应的测试工作，结果表明该版本有助于提升分析效率。

热管理仿真由于其多层次及复杂性，往往需要合理的采用一维和三维结合的方法来实现，最大程度提升效率缩短周期；我们计划后续开展相关一维&三维集成仿真工作，同时继续深入分析各种相关三维热/流动问题，如进行热害预测和瞬态热冲击仿真等分析工作。