于博士：基于Star-CCM+某车发动机舱热管理仿真研究
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一、写在文前
于博士，仿真秀专栏作者，高级工程师，10年主机厂工作经历，8年CFD工程经验，擅长流场、热场计算、多相流、流固耦合、声固耦合、热态疲劳、热态振动等多学科耦合计算，擅长对几何结构、部件性能、系统布置等影响因素进行系统性优化，满足国标及企标要求。
本文对某车发动机舱进行热管理分析，计算得到额定工况、大扭矩工况、低速爬坡工况、高速工况下散热器进水温度、中冷器热测出气温度及中冷温升均符合评价标准，为发动机冷却系统的设计与匹配提供理论依据。机舱热管理主要是研究发动机舱冷却系统的热量交换及温度控制，满足发动机舱内核心零部件的安全性与可靠性，并优化车辆的燃油经济性及排放性能的分析，冷却系统主要包含冷凝器、中冷器及散热器等。
二、模型简介
采用有限元分析软件对某车三维数据进行前处理，提取驾驶室、发动机、变速器、底盘、货箱、排气系统、冷却系统等外表几何结构，进行几何处理和面网格的划分。要求几何能够完整表达各子系统表面详细结构，重点保留冷却模块、后视镜、进气格栅、导流罩等相关部件几何特征。零部件表面接触的地方不能重叠，靠近的地方不能穿透。将处理好的网格模型导入到流体软件，并建立风洞模型以模拟整车风洞实验室，检查面网格质量并标记特征线，如图1所示。网格单元是分析计算的载体，网格质量影响计算精度，网格数量影响计算效率。根据三维模型的结构，采用流体软件中多面体单元进行网格划分。冷凝器、中冷器及散热器芯子视为多孔介质，设定阻力性能参数，其他部分按照流体区域计算，在芯子前后与它交界处设置交界面，中冷器芯子设置冷热气体的换热参数，散热器芯子设置高温冷却液与空气的换热参数。
图1整车热管理分析模型
三、边界条件
采用速度作为入口边界条件，标准大气压值作为出口边界条件，模拟风洞的周边为滑移壁面，地面设置行车速度，轮胎为旋转轮胎，散热器、中冷器、冷凝器为多孔介质，输入惯性系数及粘性系数。分别计算额定工况、大扭矩工况、低速爬坡工况、高速工况下散热器进水温度、中冷器热测出气温度及中冷温升，若上述工况满足性能要求，则冷却系统的散热性能满足要求。
四、仿真计算
某车发动机冷却系统散热器进水温度目标值为105 ℃。一般情况下，大扭矩工况较为恶劣，查看仿真软件计算得出的冷凝器、中冷器、散热器的前表面温度分布如图2、3、4所示，与理论相符合。输出额定工况、大扭矩工况、低速爬坡工况、高速工况下散热器进水温度、中冷热测出气温度及中冷温升数据如下图5所示，均在目标值范围内。
图2 大扭矩工况冷凝器进风面温度云图
图3 大扭矩工况中冷器进风面温度云图
图4 大扭矩工况散热器进风面温度云
图5各工况仿真温度结果
五、试验校对
通过整车转毂热平衡试验，在指定的恶劣情况下，测试样车散热器进水室温度、中冷热测出气温度及中冷温升等是否满足设计要求，从而确认样车选用的散热器、中冷器以及风扇是否满足要求，为样车小批试制提供依据。
试验要求在温度稳定的环境舱内进行，且环境舱内温度为42℃，环境湿度为75%。试验前要求对整车技术状态进行确认，其中风扇的控制策略及工作状态必须正常，否则不能进入试验场地。试验样车至少经过2500公里的前期磨合，并进行了保养调整。试验前样车预热按国标要求执行，试验时空调应全开。试验工况应包含额定功率工况、最大扭矩工况、低速爬坡工况和高速行驶工况。
六、结论及互动
基于整车数模及流体热力学理论建立发动机舱冷却系统仿真模型，各工况下散热器进水温度、中冷器热测出气温度及中冷温升均符合评价标准，与热平衡试验结果进行对比，结果表明模拟计算可靠，且满足目标值要求，说明冷却系统的散热性能良好。
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