發動機艙及整車CFD分析的案例
CFD在汽車發動機艙熱管理領域的應用
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 汽車發動機艙熱管理三維仿真分析與優化
[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 電動汽車機艙散熱問題CFD仿真分析優化及試驗驗證
為提高空調制冷能力，本文采用CFD仿真分析的方法，研究了前機艙的流場，分析了格柵和空調冷凝器的通風量。通過配置冷凝器導流罩和調整格柵開口，增加了格柵新風的進氣量，減少了高溫氣體的回流冷凝器，從而增加了冷凝器的散熱能力。在最終的試驗中，頭部平均溫度整改后比整改前降低了5℃，降溫效果明顯改善，達到并超過了預定值。這種通過機艙流場優化提高散熱能力的方法和工程經驗，對其它電動汽車機艙散熱能力的開發具有借鑒意義。
電動汽車近年來快速興起，并且有逐步代替傳統燃油車的趨勢。研究電動汽車機艙的散熱特點具有重要意義。由于電動汽車沒有內燃機，它的機艙內就沒有了溫度達到600℃而帶來強輻射的排氣管路，也沒有需要大量散熱的內燃機水套。電動汽車前機艙相對于燃油車僅需較小的前格柵開口來引進新風進行散熱。現階段電動汽車用來冷卻電機水套與電池的散熱器和風扇大多是沿用燃油車的，往往散熱能力有相當盈余。電動汽車機艙內的空調冷凝器的散熱問題變得凸顯出來。
目前分析電動汽車機艙散熱問題有兩種方式：環境艙試驗和CFD仿真。環境艙試驗包括整車熱平衡試驗和整車降溫試驗。由于現階段機艙內散熱器能力的盈余，電動汽車熱平衡試驗發現的問題往往是電機、IGBT和電池的零部件內局部過熱。機艙內冷凝器是否有足夠的散熱能力就會在電動汽車降溫試驗中體現出來。試驗方法的優點是可信度高，能夠為研發提供直接的整改依據；缺點是成本高、周期長，不能夠在設計初期及時發現問題。CFD仿真的優點是成本低、周期短，能夠在研發早期發現關鍵問題，縮短整車開發周期。然而要想完全模擬電動汽車降溫試驗，需要三維機艙熱流場、整車一維能量流、空調箱和乘客艙的三維熱流場共同的瞬態耦合計算，目前國內幾乎難以完整開展。通過模擬機艙內穩態的流場來獲得關鍵信息是當前可行的技術路線。目前大部分國內車企采用仿真與試驗相結合的方式來解決機艙散熱問題。
展開 基于CFD分析和試驗的整車熱管理性能研究
隨著各類一維和三維商用仿真軟件的推陳出新，整車熱管理開發越來越倚重于運用各類軟件來驗證方案，以期達到更佳效果的同時減少開發周期和成本，學者們在此方面做了大量的研究和實踐。文章采用CFD仿真結合整車環境模擬倉試驗的方法，驗證了一系列優化方案對整車熱管理性能的貢獻，選擇了最優的方案組合進行應用，幫助車型通過熱平衡考核，對其他車型的開發也有很好的借鑒意義。
1現狀分析
在某新車型項目開發中，出現了整車熱平衡考核無法通過，冷卻性能嚴重不足的情況。主要表現為：爬坡工況和高速工況水溫快速超過118
℃
的報警限值，儀表報警，整車空調停止工作進入熱保護狀態；在連續爬坡工況中，還出現了發動機工作粗暴，功率和扭矩逐漸下降的現象。
通過采集發動機水溫、進氣溫度、發動機控制單元控制數據等參數并分析后，將問題歸結為3方面：1）散熱系統性能不足，導致水溫超標；2）停機后無法有效降低缸體和增壓器溫度；3）中冷器性能不足，導致連續爬坡工況下發動機進氣溫度超標，爆振增加，功率和扭矩丟失。
2方案制定
2.1優化格柵
增大車輛上、下格柵開口面積可以有效增加機艙進風量，但過大的開口會影響整車視覺美觀性，對異物的阻擋效果也會降低，導致散熱器過早的損壞；機艙進風量的增加意味著整車風阻的增大，這也會對整車油耗產生不利影響。因此，選擇合適的格柵開口面積非常重要。
根據格柵造型、格柵與冷卻模塊的位置關系，制定了格柵開口增大方案，如圖1所示。對方案進行了仿真分析，分析結果，如表1所示。
展開 
