發動機艙熱管理
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-25
發動機艙熱管理的實例教程
[摘要] 利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模擬方法對某車型汽車發動機艙流場進行仿真分析，發現該車發動機艙冷卻模塊和進氣格柵組成的“前艙”回流現象明顯，熱源局部高溫。針對以上問題，提出了布置密封導流通道、冷卻模塊傾斜5°、冷卻風扇中置及采用雙冷卻風扇4 種優化方案，經過比較分析發現，在進氣格柵與冷卻模塊之間增加密封導流通道，空氣流量提高明顯，經過散熱器的空氣流量平均提高了10%以上，經過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上，有效改善了原車發動機艙的散熱性能。
引言
目前，人們對汽車各方面性能要求越來越高，各種新興技術如渦輪增壓、缸內分層燃燒、可變氣門升程、可變進氣歧管技術等相繼應用于汽車上，增加了汽車發動機艙的負擔；再加上現代汽車逐步傾向低車身、小車型等流線型設計，發動機艙零部件眾多、空間狹小、散熱困難。散熱狀況惡化，將嚴重影響汽車發動機的動力性和經濟性，因此，如何讓冷卻空氣在經過發動機艙時充分、有組織、高效地將熱量帶出，是發動機艙熱管理的主要工作。然而，發動機艙物理現象復雜、幾何形狀復雜、性能參數眾多，對其散熱特性進行評估具有一定難度。
傳統開發過程中，通常先采用經驗或工程估算的方法評估散熱性能，進行產品設計。產品定型后，進行相關散熱特性測試，根據測試結果，反復修改設計方案直到達到設計要求[2]，不僅增加了產品設計周期，而且浪費了大量的人力物力。
隨著計算流體力學的發展，運用CFD 仿真和實驗相結合的方式處理發動機艙熱管理問題，成本低、周期短，越來越受到各大汽車廠商的青睞。在發動機艙熱管理問題的分析和優化預測過程中，應用三維仿真軟件能夠達到流場的具象化和避免優化方案的多次試驗浪費[3]。
展開 因此發動機艙熱管理在整車開發流程中是非常重要的環節之一。
發動機艙熱管理是系統性地對發動機艙內部的散熱情況進行模擬分析和試驗驗證，以保證在不同的工作狀態下發動機艙內的各部件都能夠正常運行，并通過系統性地優化來提高各部件的性能、降低能耗，是整車開發中的十分重要的環節。發動機艙熱管理涉及到造型、總布置、工藝、電器等多方面的要求，需要造型、發動機、車身和電器等部門在開發設計過程中進行充分協調。發動機艙熱管理是一個非常復雜的過程，涉及到發動機冷卻系統匹配、發動機艙內散熱以及發動機艙內關鍵部件保護等。
三維熱管理仿真流程
一般來說，我們可以將三維熱管理仿真分成兩步走：1.風量計算；2.溫度場計算。發動機艙熱管理開始階段，首先我們確定目標值：1.針對風量計算，各工況下定義各換熱器風量目標，即速度目標；2.針對溫度場計算，各工況下定義散熱器進水溫度目標。然后處理幾何模型，將幾何模型轉化成CFD仿真模型。
展開 整車發動機艙熱管理（UTM）CFD仿真在車輛研發周期中至關重要，其不僅有助于提高車輛質量和可靠性，同時還能減少研發成本，縮短研發時間。工程師采用UTM仿真來預測發動機艙環境中的引擎冷卻模塊性能，并預測排氣系統和渦輪增壓器等熱源附近敏感組件的溫度。ANSYS Fluent中包含的不同子模型可用于進行上述各類仿真。本網絡研討會將簡要介紹模型和最新程序。在研討會結束前，ANSYS專家還將一一解答您的提問。
注冊免費觀看網絡研討會！
利用ANSYS Fluent進行發動機艙熱建模
近年來，汽車自燃的現象時有發生，這是由于汽車發動機艙散熱不及時造成的。汽車發動機艙內空間狹小，內部錯綜復雜地布置著發動機、風扇、散熱器、排氣歧管、空調冷凝器、中冷器等眾多部件。各個零件及子系統在整車熱環境中相互影響，空氣流動非常復雜，導致艙內散熱不暢，致使機艙溫度升高，直接影響相關零部件性能，溫度過高時有可能導致部件損壞甚至是發生自燃等現象。
在這種困難的情況下，如何合理布置機艙零部件，避免發動機艙內形成流動死區和局部高溫區，這些都對設計人員提出了巨大挑戰。傳統的設計方法是單純的依靠試驗來解決，難度比較大，費用高，而且周期相對也比較長。計算流體動力學（CFD）已經廣泛應用于汽車發動機艙的熱分析中，用于分析發動機艙內的流動特性和溫度分布，為艙內冷卻系統設計和零部件布置提供指導意見。
發動機艙涉及到多種換熱形式：部件內部產熱、高溫部件的熱輻射、零部件內部導熱、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，既包括簡單的導熱/對流問題，也包括傳熱和流動的耦合計算，以及比較復雜的浮力驅動流動/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換熱問題的建模過程。
首先考慮汽車在低速負載爬坡的極端工況。此狀態下，FLUENT模型耦合一維的冷卻系統模型和一維發動機模型，考慮系統級的邊界條件和性能匹配，可以精確地預測發動機艙內關鍵位置的氣流和溫度分布。
圖1 一維發動機模型
圖2 發動機機艙內溫度分布
表1 發動機機艙內關鍵位置溫度分布
當汽車經過長時間的低速爬坡后，突然關閉發動機和冷卻風扇，發動機艙內會發生熱浸現象。此時，發動機艙內的散熱主要依靠自然對流形式。
展開 一方面，整車的外氣動性能，直接影響了汽車的油耗，受到非常多的關注；另一方面隨著發動機升功率不斷提高，前段散熱器的散熱量需求大幅增加，而汽車機艙內部結構布置空間卻越來越緊湊，從而對發動機艙的散熱性能提出了更高的要求。因此，整車風阻系數的降低和發動機艙熱管理在整車項目開發中占據越來越重要的位置。
由于整車涉及到幾千甚至上萬的零部件，結構復雜[圖1]，因此，在進行整車的外氣動、發動機艙熱管理仿真分析時，通常需要花費數周、乃至數月的時間，模擬效率不高。如何提高模擬整車效率CFD分析人員一個重要的課題。
圖1 整車零部件示意圖
本文介紹一個全新的整車CFD模擬工具——STAR-CCM+ VSim程序包，使用該工具，整車CFD仿真工程師可以大大提高工作效率。本文將從STAR-CCM+ VSim功能、運行架構等方面來介紹該工具。
圖2 STAR-CCM+ VSim汽車外氣動運行結果
2 STAR-CCM+ VSim功能介紹
VSim是 Vehicle Simulation（車輛仿真）的英文縮寫，是我們對常規汽車外氣動、發動機艙熱管理模擬過程的命名。
1) VSim程序包用于自動化執行整車CFD仿真流程：從CAD文件，自動執行CFD仿真流程的每一步，直至生成PPT格式的結果報告。
2) VSim程序包是數年來我們的汽車行業模擬專家的經驗積累，以及數年來所編寫的每一步模擬流程宏命令的集成。
3) VSim程序包以STAR-CCM+嵌入式(plug-in)方式運行，具有GUI界面[圖3]，方便用戶的使用。
展開 
發動機艙熱管理的相關專題、標簽、搜索
發動機艙熱管理的最新內容
因此發動機艙熱管理在整車開發流程中是非常重要的環節之一。
發動機艙熱管理是系統性地對發動機艙內部的散熱情況進行模擬分析和試驗驗證，以保證在不同的工作狀態下發動機艙內的各部件都能夠正常運行，并通過系統性地優化來提高各部件的性能、降低能耗，是整車開發中的十分重要的環節。
▲圖-20 Amesim發動機艙熱管理系統
3 應用案例
1
沃爾沃
該應用案例的測試工況為
隨著計算流體力學的發展，運用CFD 仿真和實驗相結合的方式處理發動機艙熱管理問題，成本低、周期短，越來越受到各大汽車廠商的青睞。在發動機艙熱管理問題的分析和優化預測過程中，應用三維仿真軟件能夠達到流場的具象化和避免優化方案的多次試驗浪費[3]。比如，具體觀察發動機艙內流動死角和高溫回流，對多種優化方案的預測評估等，三維流體計算都提供了便捷的條件。
3、Simerics MP+ for Vehicle 的解決方案
本文所介紹的應用于整車外氣動CFD模擬的快速方法則是應用Simerics-MP+ for Vehicle的專業應用模板來進行整車外氣動特性模擬，當然該模板同樣可以應用于除霜除霧、涉水、水管理、發動機艙熱管理相關的仿真計算，且同樣具有高效快速的特征。
近年來，汽車自燃的現象時有發生，這是由于汽車發動機艙散熱不及時造成的。汽車發動機艙內空間狹小，內部錯綜復雜地布置著發動機、風扇、散熱器、排氣歧管、空調冷凝器、中冷器等眾多部件。各個零件及子系統在整車熱環境中相互影響，空氣流動非常復雜，導致艙內散熱不暢，致使機艙溫度升高，直接影響相關零部件性能，溫度過高時有可能導致部件損壞甚至是發生自燃等現象。
在這種困難的情況下，如何合理布置機艙零部件，
發動機艙內大量的復雜結構件給工程師進行熱管理仿真帶來了很大的挑戰，傳統的基于流體-結構網格共節點的求解方式存在網格生成難度大，網格量不容易控制等問題，本視頻介紹了基于FLUENT最新的Mapping技術，工程師可以分別生成結構網格及流體網格，僅通過指定界面Mapping關系即可完成復雜結構的共軛換熱分析，大大提高了發動機艙及整車熱管理分析的效率
2011年加入IDAJ-China，主要從事流體軟件的技術支持和咨詢項目等工作，參與完成過汽車發動機艙熱管理，熱浸車一體化仿真，空調CAE仿真，油冷電機熱性能分析預測，冰箱門封條傳熱分析，安全殼蒸汽噴放，安全殼空氣流道參數化建模等多個咨詢項目。
整車CFD分析主要包括發動機艙熱管理、整車外流場、涉水分析等；動力總成分析主要包括一/三維冷卻系統、一/三維潤滑系統、曲軸箱通風、發動機冷卻等工作。
本次研討會將分享基于Simerics-MP+的整車CFD方案及成功案例，為您提供更優的整車CFD解決方案。
因此，整車風阻系數的降低和發動機艙熱管理在整車項目開發中占據越來越重要的位置。
由于整車涉及到幾千甚至上萬的零部件，結構復雜[圖1]，因此，在進行整車的外氣動、發動機艙熱管理仿真分析時，通常需要花費數周、乃至數月的時間，模擬效率不高。如何提高模擬整車效率CFD分析人員一個重要的課題。
通過發動機艙熱管理分析，可以得到發動機艙內的溫度場分布情況和空氣流動情況，設計人員可以據此合理設計發動機艙內的布局，組織空氣流路，保護重要零部件不受熱害侵蝕。
