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CFD在发动机舱热管理中的应用发展

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2013年 第3期 第35卷总第225期 LOGISTICS ENGINEERING AND MANAGEMENT 物流工程与管理 设备设施 doi:10.3969/j.issn.1674-4993.2013.03.071 CFD在发动机舱热管理中的应用发展 口殷良艳,郭健忠,吴波涛 (武汉科技大学,湖北武汉430081) 【摘要】运用CFD技术(Computational Fluid Dynamics)分析、解决汽车发动机舱散热问题已经成为一种有效的方 法。介绍了目前国内、外运用CFD技术研究发动机舱热管理的发展现状;分析了应用CFD数值模拟对进出风口、格栅造 型、导流板、护风罩等结构和舱内冷却模块布置进行的优化设计;指出了当前CFD研究中还存在的不足,展望了数值模 拟仿真技术的发展前景。 【关键词】CFD技术;发动机舱热管理;优化设计 【中图分类号】 U461 【文献标识码】 B 【文章编号】 1674—4993(2013)03—0190—04 Development of CFD Simulation on Underhood Thermal Management 口YIN Liang—yan,GUO Jian—zhong,WU Bo—tao (Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China) 【Abstract】Using the CFD technology(computational fluid dynamics)to analyse and solve the vehicle engine cooling problems has already become all effective method.This paper,firstly,introduced the development of CFD technology in underhood thermal management at home and abroad,and then,analyzed optimization design method of some critical components which heavily influence en ̄ne—bay flow and temperature ifeld,such as air intake and diffuser, ll model,deflector,fan shroud,as well as the arrangement of these crucial parts.Finally,pointed out deficiencies of CFD simulation,and forecasted the future development. 【Key words】CFD appr0ach;underho0d thermal management;optimization design 随着排放法规越来越严格,机动车用车成本越来越高,汽 特点 ,能再现发动机舱内的流场和温度场,便于研究者对散 车的经济性广泛受到关注,提高发动机工作热能综合利用水 平成为有效地方法。因此,结合运用流体力学和传热学原理 提高整车的能量利用率,减少废热损失,提高车辆的稳定性和 可靠性的相关技术得到了较快发展,这种从整体角度对热量 进行管理的技术被称为热管理。该技术已在航空航天领域、 高能激光器、集成电路上获得较广泛应用…,在汽车上的应用 越来越受到重视。 在汽车热管理系统中,发动机作为热量的主要提供者,其 在布置紧凑且封闭的机舱内散热问题又显得格外重要。发动 机舱散热性能的好坏直接关系到汽车的动力性、经济性和可 热问题进行分析。因此,运用CFD技术处理汽车发动机舱散 热问题成为一种有效的方法,特别在整车开发前期能为企业 降低研发成本,缩短产品开发周期,同时也为产品的优化改进 提供科学指导。 1国外研究现状 由于汽车空气动力试验费用高、试验周期长且设备有限, 自上世纪九十年代以来,越来越多的专家学者采用三维CFD 数值模拟的方法对发动机舱热管理问题进行研究。福特汽车 公司的Edinilson Alves Costa采用三维流体软件模拟分析了发 动机舱内的流场和温度场,研究了不同前端造型对通风量的 靠性,温度过高和过低对于发动机热效率及整车性能都能产 生不利影响。传统的汽车设计中,由于汽车的发动机舱内部 结构复杂,很难得到舱内流场和温度场的详细信息,因此其散 热性能的评估通常采用经验或者工程估算的方法。随着计算 机技术的发展,计算流体力学(CFD)引入到汽车设计中并逐 影响、不同冷却模块的选择对舱内温度的影响以及舱内气流 量与温度的关系L 3 J。Behr公司通过在试验台和汽车风洞中对 散热器的气流分布状况进行试验研究,得出散热器后的流场 特性主要受风扇护风罩和风扇轮毂影响的结论;同时通过对 冷却模块的数值模拟,验证了试验测试与仿真的相关性 。 福特汽车公司联合FLUENT公司运用FLUENT软件对舱内的 步发展,它具有条件少、信息丰富、成本低、周期短等显著 【收稿Et期】2013—02—12 【作者简介】殷良艳(1984一),女,硕士研究生,助理工程师,研究方向:汽车节能。 郭健忠(1969一),男,硕士生导师,副教授,研究方向:汽车节能与排放控制技术。 第3期 殷良艳等:CFD在发动机舱热管理中的应用发展 191 流场和温度场耦合模拟,改变外部冲击气流、前端开口设计、 车辆离地间隙等参数,结合温度云图和流线图分析了舱内温 度场及怠速工况热空气回流状况 J。Delphi汽车公司针对传 统的冷凝器一散热器一风扇布置顺序的冷却模块(CRFM)提 出了新的冷凝器一风扇一散热器布置顺序的冷却模块 (CFRM)概念,得出:相同风扇转速下,CFRM布置能增加风量 流过冷凝器和散热器降低风口温度;相同空气流量下,CFRM 布置因风扇转速较CRFM布置时低,因此消耗的功率低;但是 在怠速时CFRM布置顺序容易引起前端空气回流 。法国的 Valeo公司结合利用数值仿真计算和风洞试验的方法,通过对 风扇和护风罩及前端造型的优化,提高了发动机冷却系统和 空调系统的性能 。 随着计算科学的不断发展,一维仿真和三维仿结合 的方法成为新的发展趋势。典型代表有:美国阿贡国家试验 室、Flowmaster公司、卡特彼勒公司,采用Flowmaster和Star— CD软件开发的工程车辆仿真模型 J。 2国内研究现状 国内的CFD仿真研究起步较晚,不过在近二十年也得到 了较快发展。随着中国汽车工业的快速发展和研发水平的不 断提高,国内的多所高校、科研单位及多个汽车企业也利用 CFD技术对汽车发动机舱热管理问题进行了多方面研究。如 同济大学采用多参考系方法和滑移网格法对风扇建模处理, 分析比较了对于汽车前端进气的计算两种方法的优缺点 ; 华中科技大学蒋光福、魏莉薇针对中冷器、散热器等部件,运 用FLUENT和KULI软件,对发动机舱内的散热特性进行了研 究 ;湖南大学谷正气教授、西北工业大学张彬乾教授分 别对某轿车和卡车的内、外流场做了分析和研究;浙江大学的 张毅结合采用试验和数值研究两种方法模拟分析了散热器中 流场和温度场,并研究了散热器的间距和散热器热侧介质进 出口位置匹配对散热器模块冷却性能的影响 。东风汽车 公司通过对某轿车发动机舱温度分布情况模拟分析,可视化 机舱内流动和换热细节为改进冷却系统和前舱布置提供参考 依据,并与试验对比分析,验证了运用流体和传热技术解决发 动机舱散热问题的有效性和可行性 ;吉利汽车研究院曾昌 明等运用商用CFD软件优化了某轿车散热系统与车前空气 进口结均,提高了散热效率” 。还有奇瑞汽车、江淮汽车、上 海汽车、长城汽车、东风柳州汽车以及一些国家重点研究所和 实验室等也相继参与该技术的研究。 此外,国内发动机舱热管理有向重卡、客车、燃料电池机 舱热管理转移的趋势。 3 CFD在热管理中的应用分析 在现代汽车设计中,CFD不仅用于数模阶段的性能预测, 也用于对实车的温度场分析,最终通过计算结果的分析来指 导工程应用。通过模拟可视化流场信息并加以分析,针对实 际问题改变前端造型、提高舱内部件性能和优化各部件结构、 布置来改善通风条件,达到提高发动机热效率的目的。其中, 结构改进及布置优化方法因其运用灵活,改动成本低在企业 中广泛采用。尽管优化方法因车型的不同差异很大,但也遵 循一定的规律。 3.1发动机舱局部造型 ①汽车进出风口是发动机舱内外连接的气流通道,影响 着汽车空气动力学特性。研究表明,进风口开口面积比(冷却 风开口面积与散热器芯体面积之比)处于0.3左右最好,过高 和过低都能恶化发动机舱的通风性能。另外,合理利用高风 压区,适当提高进风口的风压水平和降低出风口的风压水平 也可以有效增加通风量。需要注意的是,增加辅助进风口一 定程度上会恶化空气阻力;机舱上方设计出风口,可以明显减 小空气升力 。 ②进气格栅造型的改进也可以对降低发动机舱温度有积 极的影响。符合空气动力特性的进气格栅能够减少进气流分 离和回流,降低气流阻力,同时优化气流在冷却模块上的分布 状况 。此外,针对格栅开口导致的低速散热不足和高速阻 力增大的问题,美国的Chrysler公司通过试验验证了可活动的 格栅百叶窗有助于提高汽车的空气动力性、动力系统冷却、空 调系统性能、最高车速,减少功率消耗以获得最大的燃油经济 性” 。德国大众公司通过引进发动机舱封装和控制格栅开 度的方法,也得出了同样的结论 。 ③在进气格栅、冷却模块问设置密封的导流通道,阻止散 热器后的热空气回流可以增加冷却空气进气量,是工程设计 中应用较多的改善怠速温度过高的方法 。全密封导流罩 可以使进风口冷却风全部通过热交换器,提高车辆高车速时 的通风性能达20%一30%,在低车速、冷却风扇工作时能较好 的防止热气回流。 此外,导流罩开口形状对进风量也有影响,当扩散面的朝 向和气流的流动相冲击时会使气流反射,进风阻力增大对进 风不利,故从进气格栅到热交换器之间应缓慢地扩大口径才 能更有利于进风。如图l(a)、(b),改进后相同扩散角时形状 B优于形状A。 图1(a)导流罩扩散形状A ・—●●ll鼍圈■——◆L 图1(b)导流罩扩散形状B ④风扇护风圈、风扇叶片和电机的阻力是冷却风扇总通 风阻力的重要部分,其中,护风圈阻力约占总阻力的70%(双 风扇时)。单风扇护风圈的阻力增加较大,可以通过加冲压孔 192 物流工程与管理 第35卷 或者采用双风扇方案来得到改善。护风圈的形状是其产生阻 力的重要原因之一,开口形状过渡越缓气流越容易流过,受到 阻力就越小,如图2(a)、(b)所示。 图2(a)扁平的护风圈形状 图2(b)理想的护风圈形状 ⑤冷却风对整车风阻系数的影响不仅取决于冷却风量, 也与机舱排风开口面积和排风方向密切相关。发动机舱下盖 板的设计可以对舱底气流进行整流,减小静压,使舱内热空气 更好从机舱底部流出,但排风开口面积不能低于散热器芯体 面积60%。同时,不同的排风方向对风阻系数的影响也不同, 如图3(a)、(b)所示向下和向后排风方案。由流体力学知识 可知,气流排出时遇到地板下部气流冲击动量发生变化,变化 越大即受到阻力越大。向后排风方式与地板下部气流的干涉 阻力小,可以极大地减小地板下的排风阻力,进而降低整车的 空气阻力。 图3(a)向下方排放冷却风 ⑥导流板或阻风板的设置也是为了改善发动机舱的热量 分布。通过数值仿真找出舱内局部回流严重的地方,增设导 流板或者改变导流板的导流方向,可以有效引导冷却风到温 度敏感区域,减少回流,再配合加上隔热罩可以有效优化舱内 温度场 ]。通过在气体回流通道中增加阻风板,隔断热气流 回流,也能改善机舱散热性能 。 图3(b)向后方排放冷却风 3.2舱内结构布置 从保险杠到舱内中冷器、散热器、风扇及发动机,它们之 间的相对位置也是优化舱内流场及散热的途径之一。 保险杠和热交换器的距离近,流经格栅的气流扩散较小, 直接以较高的流速通过热交换器,经过热交换器的压力损失 就大,通风性能越差,但这样可以减小热交换器的散热面积。 应尽可能加大风扇前端与散热器之间的距离,并合理设 计护风罩。护风罩的作用是使气流通道从散热器芯部的四边 形流线型地过渡到风扇的圆形,因此必须使两者之间保持一 定距离,才能减小散热器的散热“死角”面积,同时也减少气流 组织紊乱。据国外研究显示,当这个距离由25毫米增加到 178毫米时,通风量由83%上升到90%,而且通过散热器芯部 气流均匀性也明显改善 J。 此外,风扇后端面与发动机前端面之间的距离也应尽可 能加大,否则气流受阻向四周分流或者向前反射,再加上风扇 前后的压差,更加剧了风扇轮毂部位的空气回流,导致热空气 难以向后排出。 4结束语 近年来中国汽车发展加速,相关的试验资源匮乏,而且试 验周期长、花费高,相比之下,CFD数值仿真以其周期短、成本 低且能可视化分析的优点越来越受到汽车界人士的重视,多 所高校和科研单位,特别是国内自主品牌企业在近些年投入 了大量的人力和资源,为仿真技术在中国汽车行业的发展积 累了宝贵的经验。当然CFD技术发展到现在,在理论研究、数 值模拟以及工程应用方面还存在一些难题: ①流体力学的数学提法是十分复杂的非线性偏微分 方程组,它的数值方法还在不断地探索研究中,数学理论薄 弱,如缺乏基本的稳定性分析、误差估计、收敛性和唯一性等 理论 。 ②湍流模型的选取和网格技术对计算结果精度有较大影 响,面对不同应用需求的计算模型如何选取最合适的湍流模 型,划分得到更简易高效、高质量的网格也成为CFD研究的难 点。 ③数值模拟不能脱离试验的检验,而仿真的细节流动信 息往往是试验所不能获得的,对CFD结果的可信度有一定影 响 (下转第201页) 第3期 物流师级别。 刘 丽等:技能导向型物流管理专业建设研究 师、货代员、报关员等职业职格证书考试,保证每一名学生在 毕业时最少获得一张职业资格证书,以“双证书”或“多证书” 科学构建课程体系是实现培养目标、提高专业教学质量 的一项重要工作,也是专业建设的一项核心工作。首先要进 行专业需求分析,与企业专家共同研讨,以岗位需求和职业标 准为依据,按照职业教育的特点,构建以学生为中心、以任务 毕业。将学历教育、职业技能培养与职业资格认证三者有机 结合起来。 2.5职业教育与终身学习对接 职业教育不等同于短时间的职业培训,通过在校三年的 学习,培养学生养成自我学习的习惯,让学生对新知识有兴 趣。传授学习方法,为学生后续的专升本学习打下基础,为学 生在今后的工作岗位学习以及终身学习提供能力保障。 3结语 驱动为导向、以职场典型的真实任务为主要教学内容,建立突 出职业能力和素质培养的课程标准和功能相对的项目化 专业课程体系。 本专业人才培养方案的课程体系设计由职业道德、大学 英语、思政、计算机等职业通识课,国际贸易实务、物流管理基 础等职业基础课,仓储与配送业务、运输管理、供应链管理、国 际货运代理、物流信息处理、报关报检实务等职业技术课程, 商务实训、货代实训、ERP沙盘、企业顶岗实习等职业实践课 程组成。 2.3教学过程与生产过程对接 物流管理专业建设以“五个对接”为指导思想,在人才培 养方案设计、师资队伍、实践教学、社会服务四个方面进行具 体的建设。只有不断进行专业建设改革,符合行业的发展,市 场的需求,才能使学生真正成为满足企业、社会需要的高素 质、高技能型人才。 [参考文献] [1]李超锋.高职物流管理专业实践教学校企合作模式创新 研究[J].物流技术,2012,(6):152—154. [2]潘昭文.高职物流管理专业人才培养模式与课程体系的 构建[J].当代教育理论与实践,2012,(6):76—79. 每门课程的教学设计按照企业岗位实际工作过程重新设 计,采用“项目引领、任务驱动”的模式,探索多种教学方法使 学生掌握岗位技能。教学实施以实际工作为场景,表现形式 以真实项目为载体,以具体工作任务为主线,做到岗位与课堂 无缝衔接。 在教学中,每门专业课程都设置多个工作任务,每个工作 任务项目下又设多个子任务,每个子任务都与相应的知识点、 [3]张颖.物流管理专业建设分析与思考[J].现代商贸工 业,2012,(13):143—144. 技能操作点和职业素养要求相对应。以工作任务引领课程的 进程,实现理论、实操与工作任务有效结合的一体化教学模 [4]郑志军.物流管理专业建设的研究与实践[J].物流技 术,2012,(3):158—160. 式,能显著提高教学质量和教学效率,保证校内教学更加符合 企业实际工作需要。 2.4学历证书与职业职格证书对接 物流管理专业学生在校期间,将参加物流员、助理物流 (上接第192页) [5]段春晖.浅谈高职院校物流管理专业建设[J].湖北经济 学院学报,2012,(9):174—175. 2009,(4):1—4. ④汽车热管理领域的CFD研究对于将发动机燃烧系统、 冷却系统、润滑系统和空调系统的流动和传热问题耦合起来 研究还有很大难度,研究者较少。 [3]Edinilson Alves Costa.CFD Approach on Underhood ThermM Management of Passenger Cars and Trucks.SAE Paper 2003 —01—3577. 此外,高校及科研单位多偏重于理论和数值模拟研究,实 验设备匮乏;而企业虽有丰富的工程实践经验,但仍需要有理 论的支撑才能获得更高效的利益。因此,构建一个校企合作 的平台将有利于该领域快速发展。 总之,有难题说明还有可挖掘和发展的空间,大涡模拟 (LES)和直接数值模拟(DNS)技术将是CFD研究的重点,网 格技术也将朝着更灵活、适应性更强的方向发展,再加上数值 模拟技术与汽车开发相结合积累更多的宝贵经验等,都将推 动CFD技术在汽车领域的发展。 [参考文献] [4]Bernhard Uhl,Friedrich Brotz,Jurgen Fauser,et a1. Development of Engine Cooling Systems by Coupling CFD Simulation and Heat Exchanger Analysis Programs.SAE Paper 2001一O1—1695. [5]Wei Ding,Jack Williams,Dinakara Karanth.CFD Application in Automotive Front—End Design.SAE Paper 2006—01 —0337. [6]Zhigang Yang,Jeffrey Bozeman,Fred Z.Shen,et a1.CFRM Concept for Vehicle Thermal System.SAE Paper 2002—01— 1207. [7]Ngy Srun Ap,Pascal Gue ̄em and Philippe Jouanny. Influence of Front End Vehicle,Fan and Shroud on the Heat Performance [1]邓义斌,黄荣华.汽车热管理系统及其研究进展[C].北 京:APC联合学术年会论文集,2009:136—142. [2]唐因放.发动机舱散热的CFD研究[J].北京:北京汽车, 

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