卡车发动机舱流场与散热性能的分析
摘 要：基于卡车发动机舱散热环境的影响，使用CFD软件对卡车发动机舱流场、温度启用仿真数值计算，关注对流、换热、辐射等影响因素，仿真出冷却模块与高温原件的散热原理，对卡车发动机舱中的情况进行有效的分析。本文通过对CFD模型；边界条件；计算结果及分析三个方面进行了简单的分析。
关键词：发动机舱；流场；温度场；数值模拟；CFD
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.062
0 引言
随着社会科学的不断进步，人们对整车系统的热管理研究与内外流的热传有了更高的要求。卡车的发动机包括：冷却系统、发动机本体、排气歧管、油水电管路、高温热源、危险部件等。卡车发动机舱热辐射性很大，与内外流形成固共扼传热效应，因此，要改善这种恶劣的环境，提供科学的发动机舱布置与优化方案。
1 CFD模型
1.1 数值方法
在进行计算的过程中，要考虑卡车的车速与声速，还要考虑空气密度的变化情况等，当马赫数值很低的时候，在低速空气动力学之中，属于一种不可压缩气体。发动机舱的结构非常的复杂，有时会发生分流的情况，出现涡流，因此，可以使用有线体积法离散法控制方程。使用SIMPLE算法获取离散方程组的压力与速度耦合，在计算的全过程中，使用质量守恒、动量守恒、能量守恒定律，遵照湍流运输方程。
1.2 选择网格划分与计算域
依据风洞试验中的洞壁干扰、阻塞效应、雷诺数效应等影响情况下，对成车进行有效的设定：前距离与车长比是3：1，后距离与车长比是5：1，两侧与车宽比是10：1，高度与车高比是5：1，总截面积与车身截面积比是50：1。如图1所示，由于受到分子粘性的影响，与壁面相邻接的粘性底层中，湍流的数很低，所以，可以布置多个节点，在模型表面形成3层共3mm，地面表面形成6层共5Omm的边界层来模拟近壁面气体的流动，并对前格栅、发动机舱、车身下地面等主要流动和温度区域进行局部加密，网格总数约是1780万。
1.3 换热器与风扇的模型
由散热器、中冷器、冷凝器等组成了卡车发动机舱内的换热器，主要的性能包括：换热器内部的流动特点、空气侧的流动特点、换热器本身使用材料、结构等。换热器结构主要是板翘，所有内部的通风口设计的很小，使得网格不能直接捕捉到内部流动的变化，基于节约计算资源基础下，通常使用热交换器模型模拟换热情况。
2 满足边界的条件
满足边界的条件有：速度入口、压力出口、固体壁面等。车底流场直接受地面环境等因素的影响，可以对扰流特性、车底流场、发动机舱内流情况进行干扰。所以，在计算的过程中，要考虑车身前端地面的滑移程度，后端地面的移动程度等因素，降低影响。使用湍流强度与特征尺度公式进行计算，具体如下：
式中：I表示湍流特征强度；L表示湍流特征尺度；LH表示模型特征尺度；Re表示雷诺数；u表示入口来流速度；P、μ表示当前温度下空气的密度和粘度。
3 计算结果及分析
（1）分析与改进措施。分析：最大的扭矩工况、额定功率工况对发动机机舱散热起到的作用。首先，通过截面图分析基于最大扭矩工况背景下发动机舱内的流场和温度场状况。气流可以经过上下格栅、保险杠、格栅间的接缝进入到机舱内，形成流向冷却模块。通过中冷器、散热器的运行，对后流速起到降低的作用，经过散热器后端的冷却风扇的抽吸作用后流速急速上升。在散热器上端出现了明显的涡流现象，并沿着驾驶室的下端回流到散热器的前端。空气回流导致了冷却模块的循环加热，发动机舱的高温区域在散热器的后端和排气歧管和涡轮增压器附近的区域，最高温度在118℃时，发动机舱的散热环境很恶劣，要对舱内结构阻比回流进行优化。散热器下端的导流板导流作用不明显，影响了中冷器的进风量。
改进措施：①在散热器两侧与车架纵梁之间添加阻风板，阻断回流。②在散热器的上端添加隔板，隔断散热器上端的回流。③增大散热器下端导流板的面积，增强散热器与中冷器的进风量。④动在中冷器和散热器之间添加密封板，减少散热器和中冷器之间的气流泄漏。
（2）改进结构前后对比分析。改进结构前：受到热回流的影响，中冷器前端的车架横梁区域覆盖着一层温度是60℃左右的热空气，散热器上端部分很多的热空气。改进结构后：添加阻风板以后，在中冷器前端的区域，空气温度与环境温度适中，极大的改善了舱内的热环境。因此，在散热器上端添加隔流板很好的隔绝回流。对比分析：改进结构散热器前端的区域存在大量高温气流，证明了之前对流场分析的热空气是沿着车架回流的设想。利用在散热器两侧添加阻风板的方法，改善了散热器前端的空气温度与冷空气适宜，说证明了阻风板可以有效的隔断回流。添加阻风板可以有效的阻挡回流的发生，改善舱内的热环境。
4 结束语
综上所述，使用CFD软件对模拟汽车发动机舱散热情况进行分析，包括发动机舱的流场与温度场分布，同时对冷却模块的散热性能进行校核。得出，热回流可以影响发动机舱内的散热环境，使得工作环境很恶劣。阻风板可以有效的改善回流现象，解决工作环境问题，提高导流效应，加强冷器的进风量。密封板可以提高中冷器与散热器通道的密封性，减小漏风，增强散热的效率。
参考文献：
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