汽车发动机舱散热特性研究（精选）.pdf

2005 Fluent 中国用户大会论文集

汽车发动机舱散热特性研究

蒋光福
(湖北省十堰市东风汽车有限公司商用车研发中心 442001)

摘要:该文根据汽车产品研发的需要,应用商用 CFD 软件 Fluent 和 KULI,采用基于 Navier-Stokes 方程的汽车外流场与
发动机舱内流场耦合计算方法,对某汽车在车速 V=25km/h 时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点下发动机舱的散热特
性和温度场特性进行研究。快速而准确地指导发动机舱内冷却系统的参数选择与判定。研究发动机舱内的温度分布特性及最
高温度值,控制发动机舱内空气最高温度低于设计目标值,从而判别发动机舱内的温度特性是否满足设计要求。
该文从流量与热量之间的转换关系出发,根据东风汽车有限公司商用车研发中心提供的散热器(冷凝器和中冷器)空气流
量与散热热流量试验结果,进行转换处理,计算出各工况下,空气通过散热器(冷凝器和中冷器)所带走的热量。而该热量正
是散热器中冷却水或者中冷器中高温空气所损失的热量值。把 Fluent 的计算结果空气流量输入 KULI 软件中,从而得到散热
器中冷却水或者中冷器中高温空气的进出口温度差。以冷却常数为评估散热器冷却性能的主要指标。以冷却效率为评估中冷
器冷却性能的主要指标,设计要求冷却效率应高于 80%,冷却常数应低于设计目标值。
关键词:CFD 汽车空气动力学冷却系统匹配传热性能温度场


根据东风汽车有限公司商用车研发中心提供的车型数学模型、计算工况,应用商用计算流体力学软件
Fluent,采用基于 Navier-Stokes 方程的汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算方法,对某汽车在车速 V=
25km/h 时发动机分别处于额定功率点和最大扭矩点下发动机舱的散热、流场和温度场等特性进行研究。具
体内容为:
1)汽车发动机舱内散热元件(散热器,中冷器和冷凝器)的散热特性的分析研究,通过对散热器、冷凝器和
中冷器参数的灵敏度分析,可以非常迅速地找到与发动机舱、散热器、冷凝器和中冷器散热很好匹配的散热
器、冷凝器和中冷器参数,为选择最佳的散热器、冷凝器和中冷器参数提供设计指导。
2)发动机舱内、外空气流动耦合数值分析(内、外流场特性)研究,这样更准确地模拟发动机舱内的流场
和精确地计算出流过各散热元件(散热器、中冷器和冷凝器)的空气流量;通过对散热器的冷却常数和中冷
器的冷却效率分析,判断中冷器和散热器的热性能是否满足设计要求。
3)汽车发动机舱温度场分析研究。模拟出发动机舱内的温度场,研究发动机舱内的温度分布特性及最高
温度值,使发动机舱内空气最高温度控制在设计指标值之内,从而判别发动机舱内的温度场特性是否满足设
计要求。
在发动机设计时,冷却系统的基本参数选取原则是:在外界温度为 40 o C 时,当汽车在高速档运转,并以
25km/h 的低速行驶时,要保证散去所有要求散去的热量。在其它所有条件下,冷却系设有专门装置,来维持冷
却液或气缸盖壁面(空气冷却时)的温度在适当水平。冷却包主要的热动力学目标是散热器的最高水温,在连
续行驶情况下它必需不超过 115 oC ,在峰值载货下它必需不超过 125 oC [1]。冷却常数是评估散热器冷却
性能的主要指标,冷却效率是评估中冷器冷却性能的主要指标。冷却效率应高于 80%,冷却常数应低于设计
目标值。
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对汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算,采用模拟数值风洞的方法进行,因此,其边界条件按外部
流动和内部流动分为外部边界条件和内部边界条件。
对于外部流动,其边界条件包括:风洞压力(或速度)入口边界条件、风洞压力(或速度)出口边界条件和壁面
边界条件。
对于内部流动,其中包含散热器、中冷器、冷凝器、风扇、发动机本体和发动机舱隔板。散热器、中
冷器和冷凝器是属于带有阻尼的通气边界,风通过散热器、中冷器和冷凝器时存在压强损失和热传递现象,
采取散热器模型进行模拟;而风扇则是因其前后存在压强差,采用多项式拟合函数的描述。在 Fluent 软件
中有风扇模型。发动机本体和发动机舱隔板则应满足壁面边界条件。
在利用 CFD 方法进行物体绕流的数值模拟时,必须建立数学模型。限于目前国内外 CFD 计算的水平,
还无法对完全真实的复杂外形(如图 ~ 所示)进行数值模拟。因此,在保证反映物体表面真实流动
特性的前提下,需对真实外形进行简化,建立计算所用的数学模型。本文对产品研发部门提供的真实车型
数学模型,作了局部简化,主要考虑了车身、发动机、车架、车轮、车桥、传动轴、油箱