基于CFD的汽车发动机舱热管理及优化策略_张效庆.pdf

2 0 2 3年第8期技术创新与应用基于C F D的汽车发动机舱热管理及优化策略张效庆,潘晓华,赵长莉(枣庄职业学院,山东 枣庄 2 7 7 8 0 0)摘 要:为全面准确研究揭示与汽车发动机舱相关的热管理问题,设计形成并且具体运用与汽车整体开发工作流程相契合的发动机舱管理工作模拟分析技术流程,旨在为相关领域的研究人员,以及一线技术工作人员,创造并且提供扎实且有效的经验参考支持条件。关键词:汽车发动机舱;C F D软件程序;热管理;优化策略 中图分类号:U 4 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 5 2-0 3T h e r m a lM a n a g e m e n t a n dO p t i m i z a t i o nS t r a t e g yo fA u t o m o b i l eE n g i n eC a b i nB a s e do nC F DZ h a n gX i a o-q i n g,P a nX i a o-h u a,Z h a oC h a n g-l i(Z a o z h u a n gV o c a t i o n a lC o l l e g e,S h a n d o n gZ a o z h u a n g2 7 7 8 0 0)A b s t r a c t:I no r d e r t oc o m p r e h e n s i v e l ya n da c c u r a t e l ys t u d ya n dr e v e a l t h e t h e r m a lm a n a g e m e n tp r o b l e m s r e-l a t e d t o t h e a u t o m o b i l e e n g i n e c o m p a r t m e n t,t h e e n g i n e c o m p a r t m e n tm a n a g e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i s t e c h n o l o g yp r o c e s s t h a t i s c o n s i s t e n tw i t ht h eo v e r a l l a u t o m o b i l ed e v e l o p m e n tw o r k f l o wi sd e s i g n e d,f o r m e da n ds p e c i f i c a l l ya p p l i e d,a i m i n g t oc r e a t e a n dp r o v i d e s o l i da n de f f e c t i v e e x p e r i e n c e r e f e r e n c e s u p p o r t c o n d i t i o n s f o r r e s e a r c h e r s i nr e l a t e df i e l d sa n df r o n t-l i n e t e c h n i c a l s t a f f.K e yw o r d s:A u t o m o b i l e e n g i n e c o m p a r t m e n t;C F Ds o f t w a r ep r o g r a m;T h e r m a lm a n a g e m e n t;O p t i m i z a t i o ns t r a t e g y作者简介:张效庆(1 9 8 0)男,山东省菏泽人,汉族,本科,副教授,研究方向:汽车。0 引言在现代汽车产品设计开发工作实施过程中,普遍选择采用的同时具备“低车身”特征和“小型化”特征的流线型发展趋势,引致汽车产品发动机舱内部的空间尺寸越来越窄小,同时还导致汽车产品各类零部件的安装配置位置越来越接近;而针对增压+缸内喷技术方法、分层燃烧技术方法、双离合变速器(d u a l c l u t c ht r a n s m i s s i o n,D C T)技术方法等种类多样的新型技术方法在汽车产品生产制造活动过程中的引入运用,则会导致汽车产品发动机舱内部安装配置的附属零件数量显著增加,继而在汽车发动机设备实际运行过程中产生并对外释放较多热量,最终导致汽车产品发动机舱内部呈现出温度过高问题。遵照目前已经获取的技术性工作经验,在汽车发动机舱内部的散热环境条件发生严重恶化后,通常会显著破坏汽车发动机设备的运行技术性能,且还会同时导致燃油消耗数量增加问题、尾气排放恶化问题,以及功率扭矩降低问题等。鉴于上述分析可以知晓,围绕汽车发动机舱的热管理问题,应当在针对汽车产品开展整体设计的初期阶段及时做好全面性的发现归纳与解决处置环节,继而避免在汽车产品设计开发工作的后期时间阶段发生项目变更问题,改善提升汽车产品设计开发工作环节的实施效率,降低其经济成本投入水平。1基本控制数学方程与湍流技术分析模型选取1.1 基本控制数学方程源于汽车产品发动机舱内流场技术环境的气体物质流动速度处在相对较低水平(M a 1.0 0),且其密度变化幅度相对较小,客观上将其等同认定成粘性定常不可压流体物质。在围绕汽车产品发动机舱展开计算分析求解工作环节过 程 中,实 际 需 要 运 用 的 基 本 控 制 数 学 方 程 主要有:质量守恒数学方程:d i vv=0(1)动量守恒数学方程:vi t+d i v(v vi)=d i v(g r a vi)p t+Si(2)在公式(1)和公式(2)中,v表示的是平均速度技术参数项目;表示的是流体密度技术参数项目;vi表示的是平均速度技术参数项目在3个坐标轴之上形成的分量;表示的是流体物质运动粘度技术参数项目;p表示的是流体微元体上的压强技术参数项目;Si表示的是基于三个空间方向之上动量守恒数学方程的广义源项,对于汽车发动机舱内流场技术环境而言,有取值Si=0。以温度技术参数项目作为代表性变量的能量守恒数学方程:(T)T=d i v(v T)=d i vkcpg r a dT+ST(3)在公式(3)中,T表示的是温度技术参数项目;k表示的是汽车产品发动机舱内流体物质的传热系数技术参数项目;cp表示的是比热容技术参数项目;ST表示的是流体物质的粘性耗散项技术参数项目。25DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.001内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n1.2 湍流技术分析模型在基于剪切应力输运(s h e a rs t r a i nt r a n s p o r t,S S T)技术机制的k-两方程涡粘湍流技术分析模型之中,不仅涉及包含k-技术分析模型在外部区域计算处理方面的基本技术优点,还同时具备k-技术分析模型基于近壁面技术位置模拟分析过程所具备的鲁棒性优势和高精确度优势,客观上更加适宜开展具备复杂化湍流技术过程的发动机舱内部流场环境的模拟处置环节,因此择取运用S S Tk-技术分析模型作为本文所介绍车型发动机舱内部流场技术环境中数值计算的湍流分析技术模型。在S S Tk-技术分析模型中,围绕湍动能的k技术分析数学方程与湍流频率技术分析数学方程分别为:k技术分析数学方程:(k)t=xj(+kt)k xj+(-ui uj)ui xj-*k(4)湍流频率技术分析数学方程:()t=x(+t)xj+vt(-ui uj)ui xj-2+2(1-F1)21 k xj xj(5)假若用1和2分别表示k-技术分析模型和k-技术分析模型,则S S Tk-混合方程技术分析模型的数学表达式为:=F11+(1-F1)2(6)在公式(6)中有:F1=t a n h(a r g41)a r g1=m i n m a xk y;5 0 0vy2;42kC Dk y2C DK=m a x221 k xj xj,1 0-2 0对于1和2而 言,其 相 关 性 的 技 术 参 数 项 目 主要有:1=0.3 0 9;1=0.4 9;1=0.0 7 4;*=0.0 8;k=0.4 0;1=1/*-1k2*;k2=0.9 9;2=0.8 5 5;2=0.0 8 2 7;1=2/*-2k2*。为切实获取到基于S S Tk-混合方程技术分析模型应用背景下汽车产品运输技术特性的正确化计算描述结果,将涡粘系数方程的表达式定义成:vt=a1km a xa1;|F2(7)在公式(7)中,|表示的是涡张量对应的标量技术参数项目;F2=t a n h(a r g22);a r g2=m a x2k*y;5 0 0vy2;y表示的是当前技术点位到壁面之间的最短距离技术参数项目。2 汽车产品发动机舱热管理的模拟分析流程2.1 模拟技术分析流程在推进实施C F D理 论 分 析 工 作 环 节 前 提 下,实 际设计形成的,与 汽 车 产 品 整 体 性 开 发 工 作 流 程 相 互 匹配的发动机舱热管理工作模拟技术分析流程参 见 图1所示。图1 汽车发动机舱热管理工作的基本流程示意图2.2 网格划分技术处理、边界技术条件设置与参数项目设置对于汽车产品发动机舱而言,其在内部结构层面所具备的复杂性特点,直接决定了在汽车产品发动机舱热管理工作开展过程中,需要面对和涉及的技术零部件数量较多,而在具体推进开展数值模拟分析技术工作环节过程中,可以遵照实际面对的工程需求,适当推进开展筛选工作环节和简化工作环节,比如指向汽车发动机技术设备之上的部分修饰技术特征,尺寸较小的线束以及部分细节技术特征。2.2.1 网格划分技术处理在针对汽车产品发动机舱热管理工作过程展开的数值分析计算环节过程中,实际选择运用的是外流场技术环境与发动机舱内流场技术环境相互耦合条件下的计算处理方法,假若在外流场技术环境中建构形成力学风洞域,则汽车 产 品 的 长、宽、高 可 以 依 次 被 表 示 为“L”、“W”、“H”,其对应流体域的长度技术参数项目设置数值通常为汽车前方位置3.0 0 L,汽车后方位置6.0 0 L,宽度技术参数项目设置数值为6.0 0W且左右两侧呈现相互对称状态,高度技术参数项目设置数值为6.0 0 H。综合性考量硬件技术设备实际具备计算能力,以及项目设计工作开展过程中需要契合满足的计算精度控制要求,本文将模拟风洞的流 体 域 尺 寸 技 术 参 数 项 目 取 值 设 定 成6 0.0 0 m3 0.0 0 m5.0 0 m。在将运用计算机辅助设计应用软件程序(C o m p u t e rA i d e dD e s i g n,C A D)建 构 形 成 的 数 学 分 析 模 型 导 入 到C F D软件应用程序之后,通常会形成和展现出三角化质量表现状态极差的表面结构,以及发生在局部位置的表面结构封闭程度不充分问题,客观上需要在完成针对面网格结构的设置技术环节之后,运用S T A R-C CM+软件应用程序针对技术分析模型开展面网格重构处理环节,接续再推进开展针对体网格结构与边界层结构的设置技术环节。在实际推进开展网格结构的划分处理技术环节过程中,要针对非计算敏感技术区域、与汽车产品车体结构表面位置相互远离的计算域空间,借由择取具备较大尺寸的网格技术结构,支持缩短计算分析处理工作环节的持续时间,同时确保计算分析处理任务量显著减少。要针对进气格栅技术结构、前端冷却技术模块,以及流动变化表现程度较为剧烈的技术区域推进开展局部性的加密技术处理352 0 2 3年第8期环节,继而支持改善提升计算分析处理工作环节的总体精确度。2.2.2 边界技术条件设置与参数项目设置在C F D模拟计算分析处理工作环节开展过程中,其边界技术控制条件设置状态参见表1所示,择取运用速度入口边界技术控制条件(风速技术参数项目是汽车产品在行驶技术工况条件下的车速技术参数项目,其空