發(fā)動(dòng)機(jī)艙三維熱管理仿真是整車CFD/CAE仿真的難點(diǎn)，建模效率和仿真精度對于工程師來說非常關(guān)鍵，本文使用Ansys Fluent對我司某型商用重卡進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場/溫度場進(jìn)行了三維仿真，前處理建模過程采用Fluent Meshing最新的導(dǎo)航式工作流程，該流程極大提升了建模效率，求解計(jì)算過程引進(jìn)最佳實(shí)踐并通過對不同網(wǎng)格密度進(jìn)行對比，進(jìn)一步確認(rèn)了我司的最佳實(shí)踐。整套流程方案已成功用于我司車型開發(fā)及性能預(yù)測中。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙屬于半封閉式的空間，其內(nèi)部布置了動(dòng)力總成系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等眾多復(fù)雜的部件。隨著人們對汽車動(dòng)力性，舒適性以及安全性的要求越來越高，越來越多的電子器件被集成到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，由此給發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱帶來了更大的困難，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理已經(jīng)成為汽車開發(fā)過程中工程師們面臨的必要分析項(xiàng)。

仿真已經(jīng)被證明可以有效的輔助和指導(dǎo)熱管理設(shè)計(jì)，熱管理模型特別是三維模型的建立也同樣受部件復(fù)雜性影響，其前處理過程往往占據(jù)分析工程師大量的人工時(shí)間，同時(shí)分析工況中的物理現(xiàn)象的復(fù)雜性，如強(qiáng)制/自然對流傳熱、熱輻射等現(xiàn)象，也對仿真的精度提出了挑戰(zhàn)，一套成熟而有效的仿真最佳實(shí)踐是提升分析效率的關(guān)鍵。

本文以我司的一款商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙過熱分析為研究背景，運(yùn)用商業(yè)CFD軟件Ansys Fluent進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場與溫度場仿真分析，仿真流程中引入我司最佳實(shí)踐，引導(dǎo)快速完成分析過程。

2、熱管理解決方案

2.1 熱管理開發(fā)流程

熱管理貫穿發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和整車開發(fā)，從前期的概念、方案設(shè)計(jì)階段一直到后期的工程化設(shè)計(jì)階段及試驗(yàn)驗(yàn)證階段。特別是在前期熱管理工作十分重要，有效的前期設(shè)計(jì)可以大大提高設(shè)計(jì)開發(fā)的成功率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)。通過經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立可以有效地壓縮前期設(shè)計(jì)的工作量，進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。

2.1.1概念、方案設(shè)計(jì)階段

在本階段中，需要開展參考車/競爭車環(huán)境艙熱害試驗(yàn)和散熱分析，通過對參考車/競爭車進(jìn)行對標(biāo)解析，為產(chǎn)品開發(fā)提供參考；需根據(jù)車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)信息確定熱管理目標(biāo)工況、相應(yīng)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度、機(jī)油溫度限值、關(guān)鍵部件工作溫度限值等確立熱管理性能目標(biāo)；需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析，確定冷卻液流量分配、水泵性能要求、散熱器換熱量要求及各部件參數(shù)；需要發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能及熱平衡參數(shù)測試。

同時(shí)也需要進(jìn)行前端冷卻模塊布置設(shè)計(jì)，確定冷卻模塊及冷卻風(fēng)扇的型號、位置以及相對位置關(guān)系，確定進(jìn)氣格柵正投影面積的要求；進(jìn)行冷卻部件單體試驗(yàn)，對冷卻部件的性能參數(shù)進(jìn)行測試，如阻力性能、換熱性能和排風(fēng)性能；進(jìn)行雜合車艙內(nèi)散熱分析和熱害試驗(yàn)，對雜合車狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行艙內(nèi)散熱分析，評估雜合車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱情況，為下一階段開發(fā)提供參考；需要對CAS面及布置數(shù)據(jù)艙內(nèi)散熱分析，評估艙內(nèi)散熱情況是否滿足設(shè)計(jì)要求，并對艙內(nèi)布置進(jìn)行優(yōu)化，確保達(dá)到熱管理性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1.2 工程化設(shè)計(jì)階段

本階段需要對工程化數(shù)據(jù)進(jìn)行艙內(nèi)散熱分析，評估艙內(nèi)散熱情況，確保工程化數(shù)據(jù)能夠達(dá)到熱管理性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證階段

本階段需要設(shè)計(jì)樣車環(huán)境艙熱害試驗(yàn)，對設(shè)計(jì)樣車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱情況進(jìn)行測試，確保滿足熱管理性能設(shè)計(jì)目標(biāo)；需要進(jìn)行工裝樣車環(huán)境艙熱害試驗(yàn)，對設(shè)計(jì)樣車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱情況進(jìn)行測試，確保滿足熱管理性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 仿真手段的應(yīng)用及三維分析的需求

仿真手段特別是商業(yè)化CFD分析軟件已經(jīng)被廣泛引進(jìn)熱管理仿真流程，下圖是仿真工具在熱管理流程中的應(yīng)用。

三維CFD仿真分析需具備不同層次的最佳實(shí)踐，包括：

前端冷態(tài)流動(dòng)分析：建立全車尺度模型快，通過空氣動(dòng)力學(xué)最佳實(shí)踐快速預(yù)測冷卻模塊風(fēng)量；

含換熱器模型的前端流動(dòng)/傳熱分析：建立全車尺度模型預(yù)測前端冷卻風(fēng)量，同時(shí)預(yù)測冷卻液溫度以及獲得散熱器匹配放熱量；

熱分析(部件級)：增加關(guān)鍵固體部件預(yù)測表面溫度，如排氣系統(tǒng)，及潛在熱害部件的溫度、如懸置橡膠件；

熱分析(整體)：建立完整的車輛模型，可預(yù)測多個(gè)部件的綜合熱狀況，如流經(jīng)冷卻模塊的冷卻液流動(dòng)和熱量傳遞，油箱冷卻狀況、剎車盤熱狀況等，以及非穩(wěn)態(tài)熱狀況。

三維CFD仿真分析工具的技術(shù)功能需求包括：

應(yīng)對網(wǎng)格生成的挑戰(zhàn)

-復(fù)雜的CAD模型生成網(wǎng)格: 數(shù)百個(gè)的甚至更多的零件及其細(xì)節(jié) -網(wǎng)格質(zhì)量水平高 -能改善體網(wǎng)格質(zhì)量

應(yīng)對上游CAD模型質(zhì)量問題

-零件來源不同、參考坐標(biāo)不同和單位制不同 -部件間重疊，缺失 -部件間干涉、損壞等

求解器：收斂性、穩(wěn)健性、精度的綜合要求

-保持收斂性而不降低精度要求 -豐富而可靠的模型：湍流、輻射等 -專門模型：換熱器、風(fēng)扇、多孔介質(zhì)等

優(yōu)秀的并行計(jì)算性能

-幾千萬-幾億的網(wǎng)格數(shù)

我司以某款商用重卡發(fā)動(dòng)機(jī)艙過熱分析為研究背景，運(yùn)用商業(yè)CFD軟件Ansys Fluent進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場與溫度場仿真分析，仿真流程中引入我司最佳實(shí)踐，引導(dǎo)快速完成了相關(guān)分析過程。

3、某型重卡三維熱管理仿真實(shí)施

3.1 前處理解決方案

3.1.1 幾何數(shù)模

幾何數(shù)模來自我司某型重卡：包含外車身、動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)）、冷卻系統(tǒng)（冷凝器、散熱器、中冷器和風(fēng)扇）、底盤系統(tǒng)等與機(jī)艙分析相關(guān)數(shù)模，數(shù)模采用STL格式。

3.2.2網(wǎng)格生成

基于新的Ansys Fluent Fault-Tolerant導(dǎo)航式網(wǎng)格流程完成，流程中主要功能包含，導(dǎo)入部件/創(chuàng)建計(jì)算域/加密區(qū)/多孔介質(zhì)/材料點(diǎn)；包面（含重構(gòu)）設(shè)定：漏洞設(shè)定/尺寸/防接觸/質(zhì)量指標(biāo)等；體網(wǎng)格設(shè)定（邊界層/網(wǎng)格類型）；體網(wǎng)格生成&質(zhì)量提升。

本例中我們制作了兩套疏密不同網(wǎng)格用于對比分析，網(wǎng)格數(shù)分別為4300萬和8800萬。

（a）

（b）

（c）

圖 (a)包面網(wǎng)格 （b）體網(wǎng)格 （c）體網(wǎng)格局部

3.2 求解設(shè)定及結(jié)果分析

3.2.1 模型設(shè)定一覽如下：

怠速/20kph/30kph （及各自進(jìn)氣量）

環(huán)境溫度

Realizable K-E Turbulence model

熱源: CAC, condenser & Radiator

MRF風(fēng)扇模型

多孔介質(zhì)模型

基于壓力的Couple求解器

2nd-Order 迎風(fēng)格式

Hybrid Initialization

AMG stabilization Method: GMRES

Poor Mesh Numerics

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果我們首先對比了兩套網(wǎng)格（下圖中1為基礎(chǔ)網(wǎng)格，2為加密網(wǎng)格）的中截面速度場計(jì)算結(jié)果圖（a），兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果基本一致，加密網(wǎng)格在車頭后方識別出了更多的流動(dòng)細(xì)節(jié)。在冷卻模塊附近圖（b），兩套網(wǎng)格結(jié)果近似一致，但在發(fā)動(dòng)機(jī)周邊，氣流狀態(tài)有所不同。

(a1)

(a2)

(b1)

(b2)

對兩套網(wǎng)格的壓力場和發(fā)動(dòng)機(jī)周邊速度場如圖（c）和圖（d）所示。圖（c）是壓力系數(shù)分布，兩套網(wǎng)格在車頭迎風(fēng)面滯止區(qū)范圍基本一致，在車門附近負(fù)壓區(qū)域稍有不同。圖（d）是發(fā)動(dòng)機(jī)壁面附近風(fēng)速對比，由于在風(fēng)扇下游，被來流高速吹過，發(fā)動(dòng)機(jī)前方的復(fù)雜部件對流動(dòng)產(chǎn)生了各種阻礙，速度場具有差異。

(c1)

(c2)

(d1)

(d2)

對兩套網(wǎng)格的冷卻模塊風(fēng)量對比如圖（e）所示，冷凝器/中冷器/散熱器的風(fēng)量基本一致，體現(xiàn)了基礎(chǔ)網(wǎng)格（網(wǎng)格1）可以滿足風(fēng)量分析要求。圖(f)是散熱器芯體速度分布云圖，兩套網(wǎng)格具有很好的一致性，進(jìn)一步說明換熱器芯體的結(jié)果受網(wǎng)格影響已消除。

(e)

(f1)

(f2)

4、總結(jié)及展望

熱管理是整車開發(fā)過程中工程師們面臨的必要分析項(xiàng)，仿真的引入無疑提升了分析效率，本文介紹了我司的熱管理方案和仿真流程，并對近期我司采用Fluent新版本對某型重卡進(jìn)行三維熱管理仿真的算例進(jìn)行了說明，新版軟件相對于以往版本有了較大提升，除了保持高精度和收斂性外，在前處理效率和使用效率方面有很大提升，我們對此做了相應(yīng)的測試工作，結(jié)果表明該版本有助于提升分析效率。

熱管理仿真由于其多層次及復(fù)雜性，往往需要合理的采用一維和三維結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)，最大程度提升效率縮短周期；我們計(jì)劃后續(xù)開展相關(guān)一維&三維集成仿真工作，同時(shí)繼續(xù)深入分析各種相關(guān)三維熱/流動(dòng)問題，如進(jìn)行熱害預(yù)測和瞬態(tài)熱沖擊仿真等分析工作。

審核編輯：郭婷