基于Fluent的商用車發(fā)動機艙過熱分析與溫度場仿真分析

發(fā)動機艙三維熱管理仿真是整車CFD/CAE仿真的難點，建模效率和仿真精度對于工程師來說非常關(guān)鍵，本文使用Ansys Fluent對我司某型商用重卡進行了發(fā)動機艙流場/溫度場進行了三維仿真，前處理建模過程采用Fluent Meshing最新的導航式工作流程，該流程極大提升了建模效率，求解計算過程引進最佳實踐并通過對不同網(wǎng)格密度進行對比，進一步確認了我司的最佳實踐。整套流程方案已成功用于我司車型開發(fā)及性能預測中。

發(fā)動機艙屬于半封閉式的空間，其內(nèi)部布置了動力總成系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等眾多復雜的部件。隨著人們對汽車動力性，舒適性以及安全性的要求越來越高，越來越多的電子器件被集成到發(fā)動機艙內(nèi)，由此給發(fā)動機艙內(nèi)的散熱帶來了更大的困難，發(fā)動機艙熱管理已經(jīng)成為汽車開發(fā)過程中工程師們面臨的必要分析項。

仿真已經(jīng)被證明可以有效的輔助和指導熱管理設(shè)計，熱管理模型特別是三維模型的建立也同樣受部件復雜性影響，其前處理過程往往占據(jù)分析工程師大量的人工時間，同時分析工況中的物理現(xiàn)象的復雜性，如強制/自然對流傳熱、熱輻射等現(xiàn)象，也對仿真的精度提出了挑戰(zhàn)，一套成熟而有效的仿真最佳實踐是提升分析效率的關(guān)鍵。

本文以我司的一款商用車發(fā)動機艙過熱分析為研究背景，運用商業(yè)CFD軟件Ansys Fluent進行了發(fā)動機艙流場與溫度場仿真分析，仿真流程中引入我司最佳實踐，引導快速完成分析過程。

2、熱管理解決方案

2.1 熱管理開發(fā)流程

熱管理貫穿發(fā)動機開發(fā)和整車開發(fā)，從前期的概念、方案設(shè)計階段一直到后期的工程化設(shè)計階段及試驗驗證階段。特別是在前期熱管理工作十分重要，有效的前期設(shè)計可以大大提高設(shè)計開發(fā)的成功率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)。通過經(jīng)驗積累和技術(shù)標準的建立可以有效地壓縮前期設(shè)計的工作量，進一步縮短開發(fā)周期。

2.1.1概念、方案設(shè)計階段

在本階段中，需要開展參考車/競爭車環(huán)境艙熱害試驗和散熱分析，通過對參考車/競爭車進行對標解析，為產(chǎn)品開發(fā)提供參考；需根據(jù)車輛及發(fā)動機信息確定熱管理目標工況、相應工況下發(fā)動機工作狀態(tài)、發(fā)動機出水溫度、機油溫度限值、關(guān)鍵部件工作溫度限值等確立熱管理性能目標；需進行發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析，確定冷卻液流量分配、水泵性能要求、散熱器換熱量要求及各部件參數(shù)；需要發(fā)動機臺架試驗，進行發(fā)動機性能及熱平衡參數(shù)測試。

同時也需要進行前端冷卻模塊布置設(shè)計，確定冷卻模塊及冷卻風扇的型號、位置以及相對位置關(guān)系，確定進氣格柵正投影面積的要求；進行冷卻部件單體試驗，對冷卻部件的性能參數(shù)進行測試，如阻力性能、換熱性能和排風性能；進行雜合車艙內(nèi)散熱分析和熱害試驗，對雜合車狀態(tài)數(shù)據(jù)進行艙內(nèi)散熱分析，評估雜合車發(fā)動機艙內(nèi)的散熱情況，為下一階段開發(fā)提供參考；需要對CAS面及布置數(shù)據(jù)艙內(nèi)散熱分析，評估艙內(nèi)散熱情況是否滿足設(shè)計要求，并對艙內(nèi)布置進行優(yōu)化，確保達到熱管理性能設(shè)計目標。

2.1.2 工程化設(shè)計階段

本階段需要對工程化數(shù)據(jù)進行艙內(nèi)散熱分析，評估艙內(nèi)散熱情況，確保工程化數(shù)據(jù)能夠達到熱管理性能設(shè)計目標。

2.1.3 試驗驗證階段

本階段需要設(shè)計樣車環(huán)境艙熱害試驗，對設(shè)計樣車發(fā)動機艙內(nèi)散熱情況進行測試，確保滿足熱管理性能設(shè)計目標；需要進行工裝樣車環(huán)境艙熱害試驗，對設(shè)計樣車發(fā)動機艙內(nèi)散熱情況進行測試，確保滿足熱管理性能設(shè)計目標。

2.2 仿真手段的應用及三維分析的需求

仿真手段特別是商業(yè)化CFD分析軟件已經(jīng)被廣泛引進熱管理仿真流程，下圖是仿真工具在熱管理流程中的應用。

三維CFD仿真分析需具備不同層次的最佳實踐，包括：

前端冷態(tài)流動分析：建立全車尺度模型快，通過空氣動力學最佳實踐快速預測冷卻模塊風量；

含換熱器模型的前端流動/傳熱分析：建立全車尺度模型預測前端冷卻風量，同時預測冷卻液溫度以及獲得散熱器匹配放熱量；

熱分析(部件級)：增加關(guān)鍵固體部件預測表面溫度，如排氣系統(tǒng)，及潛在熱害部件的溫度、如懸置橡膠件；

熱分析(整體)：建立完整的車輛模型，可預測多個部件的綜合熱狀況，如流經(jīng)冷卻模塊的冷卻液流動和熱量傳遞，油箱冷卻狀況、剎車盤熱狀況等，以及非穩(wěn)態(tài)熱狀況。

三維CFD仿真分析工具的技術(shù)功能需求包括：

應對網(wǎng)格生成的挑戰(zhàn)

-復雜的CAD模型生成網(wǎng)格: 數(shù)百個的甚至更多的零件及其細節(jié) -網(wǎng)格質(zhì)量水平高 -能改善體網(wǎng)格質(zhì)量

應對上游CAD模型質(zhì)量問題

-零件來源不同、參考坐標不同和單位制不同 -部件間重疊，缺失 -部件間干涉、損壞等

求解器：收斂性、穩(wěn)健性、精度的綜合要求

-保持收斂性而不降低精度要求 -豐富而可靠的模型：湍流、輻射等 -專門模型：換熱器、風扇、多孔介質(zhì)等

優(yōu)秀的并行計算性能

-幾千萬-幾億的網(wǎng)格數(shù)

我司以某款商用重卡發(fā)動機艙過熱分析為研究背景，運用商業(yè)CFD軟件Ansys Fluent進行了發(fā)動機艙流場與溫度場仿真分析，仿真流程中引入我司最佳實踐，引導快速完成了相關(guān)分析過程。

3、某型重卡三維熱管理仿真實施

3.1 前處理解決方案

3.1.1 幾何數(shù)模

幾何數(shù)模來自我司某型重卡：包含外車身、動力總成（發(fā)動機和進排氣系統(tǒng)）、冷卻系統(tǒng)（冷凝器、散熱器、中冷器和風扇）、底盤系統(tǒng)等與機艙分析相關(guān)數(shù)模，數(shù)模采用STL格式。

3.2.2網(wǎng)格生成

基于新的Ansys Fluent Fault-Tolerant導航式網(wǎng)格流程完成，流程中主要功能包含，導入部件/創(chuàng)建計算域/加密區(qū)/多孔介質(zhì)/材料點；包面（含重構(gòu)）設(shè)定：漏洞設(shè)定/尺寸/防接觸/質(zhì)量指標等；體網(wǎng)格設(shè)定（邊界層/網(wǎng)格類型）；體網(wǎng)格生成&質(zhì)量提升。

本例中我們制作了兩套疏密不同網(wǎng)格用于對比分析，網(wǎng)格數(shù)分別為4300萬和8800萬。

（a）

（b）

（c）

圖 (a)包面網(wǎng)格 （b）體網(wǎng)格 （c）體網(wǎng)格局部

3.2 求解設(shè)定及結(jié)果分析

3.2.1 模型設(shè)定一覽如下：

怠速/20kph/30kph （及各自進氣量）

環(huán)境溫度

Realizable K-E Turbulence model

熱源: CAC, condenser & Radiator

MRF風扇模型

多孔介質(zhì)模型

基于壓力的Couple求解器

2nd-Order 迎風格式

Hybrid Initialization

AMG stabilization Method: GMRES

Poor Mesh Numerics

3.2.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果我們首先對比了兩套網(wǎng)格（下圖中1為基礎(chǔ)網(wǎng)格，2為加密網(wǎng)格）的中截面速度場計算結(jié)果圖（a），兩套網(wǎng)格計算結(jié)果基本一致，加密網(wǎng)格在車頭后方識別出了更多的流動細節(jié)。在冷卻模塊附近圖（b），兩套網(wǎng)格結(jié)果近似一致，但在發(fā)動機周邊，氣流狀態(tài)有所不同。

(a1)

(a2)

(b1)

(b2)

對兩套網(wǎng)格的壓力場和發(fā)動機周邊速度場如圖（c）和圖（d）所示。圖（c）是壓力系數(shù)分布，兩套網(wǎng)格在車頭迎風面滯止區(qū)范圍基本一致，在車門附近負壓區(qū)域稍有不同。圖（d）是發(fā)動機壁面附近風速對比，由于在風扇下游，被來流高速吹過，發(fā)動機前方的復雜部件對流動產(chǎn)生了各種阻礙，速度場具有差異。

(c1)

(c2)

(d1)

(d2)

對兩套網(wǎng)格的冷卻模塊風量對比如圖（e）所示，冷凝器/中冷器/散熱器的風量基本一致，體現(xiàn)了基礎(chǔ)網(wǎng)格（網(wǎng)格1）可以滿足風量分析要求。圖(f)是散熱器芯體速度分布云圖，兩套網(wǎng)格具有很好的一致性，進一步說明換熱器芯體的結(jié)果受網(wǎng)格影響已消除。

(e)

(f1)

(f2)

4、總結(jié)及展望

熱管理是整車開發(fā)過程中工程師們面臨的必要分析項，仿真的引入無疑提升了分析效率，本文介紹了我司的熱管理方案和仿真流程，并對近期我司采用Fluent新版本對某型重卡進行三維熱管理仿真的算例進行了說明，新版軟件相對于以往版本有了較大提升，除了保持高精度和收斂性外，在前處理效率和使用效率方面有很大提升，我們對此做了相應的測試工作，結(jié)果表明該版本有助于提升分析效率。

熱管理仿真由于其多層次及復雜性，往往需要合理的采用一維和三維結(jié)合的方法來實現(xiàn)，最大程度提升效率縮短周期；我們計劃后續(xù)開展相關(guān)一維&三維集成仿真工作，同時繼續(xù)深入分析各種相關(guān)三維熱/流動問題，如進行熱害預測和瞬態(tài)熱沖擊仿真等分析工作。

審核編輯：郭婷