基于Star-CCM+的某车冷却系统热管理仿真研究

       为了不影响整车行驶性能，各大主机厂均进行发动机舱热管理分析来防止发动机舱内散 热情况恶化。用传统试验方法解决发动机舱热管理问题，不仅周期长、对人力和财力消耗 较大，且过多依赖操作人员的工程经验，存在重复操作效率低等问题。借助虚拟的发动机舱 热管理仿真分析，可以快速发现问题的根源，高效解决发动机舱热管理问题，大幅缩短研发 周期和减少试验费用。 

         1 数学模型 本文考虑轻型卡车各工况长时间行驶，处于稳定状态，因此采用稳态分析方法，连续方 程、动量方程及能量方程均与时间无关。

       2 计算模型 

        2.1几何模型 

        对轻型卡车三维几何进行前处理，提取驾驶室、发动机、底盘、排气、冷却系统等系统 表面几何特征，进行几何处理和面网格划分。要求模型能完整表达各子系统表面细节特征， 尤其细化冷却模块、后视镜、进气格栅、导流罩等对流体及热影响较大的部件特征。然后将 处理过的模型导入流体软件，并依据整车长宽高规格匹配适合的长方体数值风洞空间。采 用流体软件中多面体单元对整车模型进行域网格划分，散热芯体视为多孔介质，设定阻尼， 设定与空气的热交换性能，其他部分视为流体域。

       2.2 边界条件 

        模型边界条件路面设置为开放路面，进口边界设置风速入口，出口边界为标准大气压， 模拟风洞的左右侧及顶面为滑移壁面，设置行车速度为参数值的移动地面，地面布局区域设 定摩擦性能，轻型卡车轮胎为旋转轮胎。

         2.3 工况参数 

         计算轻型卡车额定功率工况、大扭矩工况下散热器进出水温度及中冷器热侧进出气温度， 若满足性能要求，则冷却系统的散热性能满足要求。其中，冷 却液为 50%乙二醇溶液。

          3 计算分析 

             轻型卡车发动机冷却系统温度目标值为：上水室进水温度≤105℃，中冷后温度≤72℃， 中冷温升≤30℃。计算额定功率、大扭矩工况下散热器进出水温度、中冷热测进出气温度 及中冷温升等数据。

             3.1 额定功率工况分析 

               额定功率工况条件下，车速为 17.2km/h，冷却模块进气主要靠风扇吸风。冷凝器四周 存在热回流，高温出风气流又绕回到了冷凝器前端，导致进气温度较高，冷凝器高温出风吹 向中冷器。冷却模块两侧存在热回流，散热器高温出风气流从冷却模块与车架之间的间隙回 到冷却模块前端。散热器周围增加了密封海绵，散热器上下两端无明显热回流。由于风扇与 护风圈之间的间距较大，在护风圈的边缘位置，会有散热器的出风气流从散热器背面流向正 面。机舱区域 Y=0mm、Z=200mm 处截面的流场及温度场状态如图所示。

        冷凝器进风面速度和温度的九宫格温度测量位置距入口面 0.5mm，冷凝器上下端风速较小、温度较高，是因为冷凝器的护风圈没有 完全覆盖冷凝器，导致其上下端有明显热回流，高温出风气流又回流到了冷凝器前端。

         中冷器器入口面速度和温度分布，由于冷凝器高温出风气流吹向中冷器 和中冷器两侧存在热回流，中冷器入口面右上方进风温度较高。

        由于机械风扇位置较高，散热器上端进风速度比下端高，受中冷器热侧高温气流流向影 响，散热器入口面右侧温度较高。受中冷器 热侧高温气流流向的影响，中冷器出口面的气流温度右侧较高，因此在中冷器后方的散热器 入口气流右侧温度较高。

          3.2 大扭矩工况分析

           大扭矩工况条件下，车速为 8.6km/h，冷却模块进气主要靠风扇吸风。冷却模块上下端 没有明显热回流。由于散热器周围增加了密封海绵，散热器上下两端没有明显的热回流。由 于风扇与护风圈之间的间距较大，在护风圈的边缘位置，会有散热器的出风气流从散热器背 面流向正面。

         综上，额定功率工况的散热器上水室温度和中冷后温度均低于限值，满足目标要求；大 扭矩工况的中冷后温度低于限值，但散热器上水室温度超出限值，不满足目标要求。

         4 优化方案

              在原计算基础上对结构进行改进，实施如下优化措施： 

      （1）拉伸冷凝器风扇护风圈，即加高冷凝器护风圈，使得护风圈能够完全覆盖冷凝器， 以减少冷凝器上下端热回流。 

     （2）在冷凝器与中冷器之间增加挡板，即在车架上增加挡板，同时增加冷凝器上方护 板，以减小冷凝器高温出风气流直接流向中冷器； 

     （3）增加冷却模块与车架之间的密封海绵，即在中冷器两侧增加密封海绵，以减少中 冷器两侧热回流； 

     （4）更换高效率风扇，即减小风扇与护风圈之间的间隙，降低到 10mm 以下，以提高 风扇吸风性能，风扇速比调至 1.21，提升风扇转速，或者更换吸风能力更强的风扇，以提升 散热器进风量。

      5 优化计算 

      经过优化计算，额定功率工况、大扭矩工况散热器上水室温度和中冷后温度均低于限值， 满足项目目标要求。

       6 结论 

       基于整车模型及流体热力学理论建立发动机舱冷却系统仿真模型，分别设置边界条件， 计算得到额定功率、大扭矩工况下的冷却芯体热侧及冷侧进出口速度、温度情况，进行结构 改进后再次计算符合评价标准，冷却系统的散热性能大大提升，为发动机冷却系统集成匹配 优化开发提供技术支持，可大大减少试验频次，节省成本，缩短开发周期。