CFD在汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車-小江

2021年9月27日 10:30

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近年來，汽車自燃的現(xiàn)象時有發(fā)生，這是由于汽車發(fā)動機(jī)艙散熱不及時造成的。汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間狹小，內(nèi)部錯綜復(fù)雜地布置著發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、散熱器、排氣歧管、空調(diào)冷凝器、中冷器等眾多部件。各個零件及子系統(tǒng)在整車熱環(huán)境中相互影響，空氣流動非常復(fù)雜，導(dǎo)致艙內(nèi)散熱不暢，致使機(jī)艙溫度升高，直接影響相關(guān)零部件性能，溫度過高時有可能導(dǎo)致部件損壞甚至是發(fā)生自燃等現(xiàn)象。

在這種困難的情況下，如何合理布置機(jī)艙零部件，避免發(fā)動機(jī)艙內(nèi)形成流動死區(qū)和局部高溫區(qū)，這些都對設(shè)計人員提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是單純的依靠試驗來解決，難度比較大，費(fèi)用高，而且周期相對也比較長。計算流體動力學(xué)（CFD）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)艙的熱分析中，用于分析發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流動特性和溫度分布，為艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)設(shè)計和零部件布置提供指導(dǎo)意見。

發(fā)動機(jī)艙涉及到多種換熱形式：部件內(nèi)部產(chǎn)熱、高溫部件的熱輻射、零部件內(nèi)部導(dǎo)熱、零部件與流體之間的對流換熱等。ANSYS FLUENT含有常見的各種類型的傳熱問題，既包括簡單的導(dǎo)熱/對流問題，也包括傳熱和流動的耦合計算，以及比較復(fù)雜的浮力驅(qū)動流動/自然對流和輻射傳熱問題。便捷的附加源項和完備的熱邊界條件，能夠滿足對流、導(dǎo)熱、輻射以及混合換熱等多種換熱方式的需求，可以快速地完成相應(yīng)換熱問題的建模過程。

首先考慮汽車在低速負(fù)載爬坡的極端工況。此狀態(tài)下，F(xiàn)LUENT模型耦合一維的冷卻系統(tǒng)模型和一維發(fā)動機(jī)模型，考慮系統(tǒng)級的邊界條件和性能匹配，可以精確地預(yù)測發(fā)動機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵位置的氣流和溫度分布。

CFD在汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用的圖1

圖1 一維發(fā)動機(jī)模型

圖2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)溫度分布

CFD在汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用的圖2

表1 發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵位置溫度分布

當(dāng)汽車經(jīng)過長時間的低速爬坡后，突然關(guān)閉發(fā)動機(jī)和冷卻風(fēng)扇，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)會發(fā)生熱浸現(xiàn)象。此時，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的散熱主要依靠自然對流形式。采用瞬態(tài)仿真模擬機(jī)艙的散熱過程，可以觀察艙內(nèi)溫度隨時間的變化過程。