汽车排气系统共轭传热与机舱热管理的仿真和试验研究

DOI ：10．3969/j．issn．2095－509X．2019．09．018
汽车排气系统共轭传热与机舱热管理的仿真和试验研究
谢超杰1，刘文辉1，王震虎2，3，邱飒蔚2，3，谭传智
4
（1．湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201）
（2．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙410082）
（3．湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙410082）
（4．重庆长安汽车欧尚研究院，重庆400023）
摘要：以基于汽车整车环境下计算出的排气系统外壁面的对流换热系数来描述排气系统周围的
流场分布状况，
建立了排气系统的仿真模型，运用双向STAR －CCM +至STAR －CCM +共轭传热协同仿真计算得到了排气系统外壁面的温度分布结果，
并将其作为汽车机舱热管理仿真模型的热边界条件，
分别对怠速和爬10%坡度工况进行了三维稳态模拟。

在环境舱中对整车进行热害试验，
对比分析了协同仿真和传统仿真与试验结果的误差。

结果表明，协同仿真获得的零部件表面温度分布情况更接近于实际。

关键词：机舱热管理；排气系统；共轭传热；协同仿真中图分类号：TP391．9文献标识码：A 文章编号：2095－509X （2019）09－0079－06整车项目开发过程中，在初步确定汽车的基本
造型和动力总成形式以后，
需要寻求合理的总布置方案以符合整车造型和尺寸的要求［1］。

机舱热管
理的开发尤为重要，
明确的开发流程可以减少试验次数，
为项目节省大量的成本并缩短开发周期。

由于各零部件的独立性和部件之间的关联性，为寻得一个最优解往往会顾此失彼。

随着计算机硬件技术和CFD （computational fluid dynamics ，计算流体力学）理论及其软件的发展，
机舱热管理的数值模拟方法日趋成熟，
可帮助人们更加直观地判断机舱及底盘的热害问题并迅速有效地提出可行的优化
方案。

对于机舱热管理的试验及其检测结果的精确
度已经有了大量的研究［2－3］
，并且在数值仿真模拟上也有了相对成熟的方法
［4－5］。

但在现阶段大
多数对汽车机舱热管理的仿真分析中，热边界条
件的获取都是基于试验和经验，且采用的是面均匀值的方法
［6－7］。

由于排气系统形状的不规则和
周围环境的复杂性，以及有限的监测点测得的表
面温度值难以作为完整的热边界条件来分析整车
的热平衡特性，因此对于壁面温度梯度较大的边界若采用面均匀值的方法则会给计算结果带来相
应的误差。

文献［
8］和文献［9］在对排气系统的仿真中虽然计算出了排气系统外壁面的温度分布，
但是对排气系统周围的环境状况均做了简化处理，只建立了简单的外部计算域或者对外壁面的对流换
热系数采用均匀分布的设置。

鉴于整车零部件本身及其相互之间布置的复杂性，
简单的外流场模拟难以计算出准确的排气系统外壁面的对流换热系
数。

肖国权等［10］
建立了排气系统与整车一体的内外流固共轭换热模型，
虽然考虑了排气系统外壁面对流换热系数的分布，
但并没有考虑到固体和流体域中存在不同的导热时间问题。

因为在发动机工
作的初始阶段，
排气系统内的气体在很短的时间内就会有一个相对稳定的状态，
而排气系统的表面温度并不会在短时间内就达到最终稳定的温度。

Liu 等
［11］
的研究表明，排气歧管稳态与瞬态的计算结
果在温度分布上出现了较大的差异，对排气系统进收稿日期：2018－04－09
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475162，
51405153）作者简介：谢超杰（1990—），男，硕士研究生，主要研究领域为汽车CFD 仿真与分析，
651322542@qq．com．2019年9月机械设计与制造工程
Sep．2019第48卷第9期Machine Design and Manufacturing Engineering Vol．48No．9
行瞬态模拟是十分必要的。

因此，排气系统外壁面温度分布的获取方法及其精确程度在汽车机舱热管理仿真分析中的设置对于计算结果的可靠性至关重要。

本文对某主机厂某车型的机舱热管理进行CFD分析，选择最易出现热害的怠速和爬10%坡度这两个工况进行分析，使用软件STAR－CCM+分别建立整车CFD模型和排气系统共轭传热协同仿真模型，以发动机的排气流量和温度以及基于整车环境下计算出的排气系统外壁面的对流换热系数为边界条件获取了排气系统外壁面的温度分布，并将其作为汽车机舱热管理的热边界条件，最后计算分析了整车温度场的分布情况，并与汽车环境舱的试验结果进行了对比分析。

1仿真模拟方法及理论依据
汽车机舱内外流场的空气运动速度较小，气流密度几乎不发生变化，因此可将机舱热管理仿真中的气流看作三维不可压缩流动。

计算流体的基本控制方程［12］包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

只计算流场时不存在能量交换，对于控制方程而言只求解了连续性方程和动量守恒方程，无法获得LHTC（local heat transfer coeffi-cient，局部对流换热系数）的值，因此使用STAR－CCM+中内置的后处理场函数VLHTC（virtual local heat transfer coefficient，虚拟局部对流换热系数）的值来代替LHTC，其值的获取无需求解能量守恒方程，故在只计算流场时LHTC又被称为VLHTC。

在STAR－CCM+中VLHTC的计算采用和LHTC 相同的计算公式［13］：
h=ρCu/T+（1）式中：h为虚拟局部对流换热系数；ρ为流体密度；C为流体比热容；u为基于壁面切应力的速度比；T+为无量纲温度。

对排气系统的仿真采用共轭传热的方法可以将流体与固体之间的外边界条件变成相对简单的内边界进行处理，通过不断地交换流体域和固体域在交界面上的数据得到最终的收敛结果。

而对于固体中的热传导时间大于流体的情况，STAR－CCM+至STAR－CCM+共轭传热协同仿真能够考虑到固体和流体域中存在的不同的导热时间问题，且通过合理的设置，在相同级别的精度要求下，STAR－CCM+至STAR－CCM+共轭传热协同仿真比单独使用STAR－CCM+所需要的CPU时间更少。

因此，针对排气系统的建模采用双向STAR－CCM+至STAR－CCM+共轭传热协同仿真的方法，固体和流体模型通过交界面的信息传递实现双向耦合，利用求解器之间的深层通信，可以实现整个流固交界面的完全求解。

模拟及数据交换过程如图1所示。

图1排气系统共轭传热协同仿真流程图
通过上述自动化处理数据的方法最终获得排气系统的外壁面温度分布，将其作为整车热管理的热边界条件。

在求解整车温度场时添加并求解能量守恒方程，同时额外考虑热辐射对温度场的影响，以此来求解整车温度场及各零部件的温度分布情况。

2计算模型和边界条件
2．1整车流场
利用STAR－CCM+中的包面功能对整车CATIA模型进行包面，选择合适的尺寸对包面网格进行重构，采用收敛速度快的切割体网格，对机舱、底盘和车身进行局部加密处理，生成后的体网格数量为1500万。

数值计算方法为有限体积法，离散格式为二阶迎风格式，采用收敛性好结果较为精确的realizable k－ε两方程湍流模型［14］，壁面采用两层all y+处理。

冷凝器和散热器采用多孔介质处理，黏性阻力系数和惯性阻力系数由供应商提供的速度和压降参数拟合得到，风扇采用MRF （moving reference frame）模型来模拟。

仿真风洞的大小使用经验尺寸，长、宽、高分别为70m、30m、15m，入口类型设为速度入口，出口类型设为压力出口，出口压力为1个标准大气压。

风洞顶面和两侧面设为滑移壁面，其余为非滑移壁面。

整车网格模型截面如图2所示。

根据相关车型的项目经验计算最易出现热害问题的怠速和爬10%坡度工况下的整车流场，参数设置见表1。

2019年第48卷机械设计与制造工程
图2三维体网格截面
表1整车流场输入参数
工况入口速度/（km·h－1）风扇转速/（r·min－1）
怠速02000
爬坡502000
2．2排气系统协同仿真
建立排气系统共轭传热协同仿真模型，选择贴体性和收敛性好的多面体网格生成器，在STAR－CCM+中同时生成固体域和气体域的体网格，使跨网格界面获得共形匹配，使用直接转换法［14］传递流体和固体模型之间的边界数据。

体网格和交界面处的共形网格如图3所示。

图3排气系统体网格和交界面处的共形网格
催化器和消声器中的吸音部分采用多孔介质模型来代替，黏性阻力系数和惯性阻力系数采用与冷却模块相同的方法获得。

发动机的排气流动分析显示，其定常和非定常模拟出来的结果基本吻合［15］，同时考虑到发动机启动以后达到稳定工作状态时，排气的温度和速度变化较小［16］，故仿真模拟时使用基于该车型的发动机型号和试验数据库提供的同排量下的稳态输入参数，见表2。

表2排气系统输入参数
工况入口质量流量/（kg·s－1）入口温度/ħ
怠速0．006550
爬坡0．120850
对流体和固体模型分别进行模拟，流体域采用稳态模拟，固体域采用瞬态模拟，建立两个模型文件间的协同接口，使交界面间的数据自行交换。

气体域采用realizable k－ε两方程湍流模型，气体模型为理想气体，入口为质量流量入口，出口为压力出口，压力为1个标准大气压；固体域材料为不锈钢，外壁面采用第三类边界条件。

将排气系统协同仿真计算所得的VLHTC结果作为外壁面的对流换热系数。

2．3整车温度场
在整车流场模型的基础上，重设物理模型并添加辐射模型，假设各零部件的辐射特性与波长无关，故选用灰体热辐射模型。

发射率的值与产生辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。

研究表明，随着温度的升高，大部分零部件表面的发射率变化幅度非常小［17］，故根据已有的同类车型零部件表面发射率测量值和相关经验值设置各部件在仿真时的发射率。

热源为排气系统，其表面温度由排气系统协同仿真计算得到并映射至整车温度场模型上，环境温度为40ħ，冷却模块热负荷参数设置见表3。

表3冷却模块热负荷参数kW
工况冷凝器散热器
怠速48
爬坡818
3计算结果分析及试验验证
3．1整车流场分析
影响对流换热的因素就是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素，图4和图5分别为怠速和爬坡工况下排气系统外壁面的局部对流换热系数云图。

由图可知，爬坡工况下外壁面的平均对流换热系数比怠速工况下大，这符合实际情况和相关研究结果［18］。

由于发动机的布置方式为反置方式，排气系统外壁面周围的气流受到风扇的影响有限，主要是受到来流的影响，故怠速工况下对流换热系数总体上偏低并趋于平均分布，并未出现较大的梯度。

而爬坡工况在来流的作用下，对流换热系数均偏高，尤其是迎风部位，比其余部位都要高，这是由于这些区域与其他零部件相连或者接近，受到流体的流动状态和表面几何因素的影响，出现了比相邻区域高的局部对流换热系数。

图4怠速工况下排气系统表面VLHTC云图
2019年第9期谢超杰：汽车排气系统共轭传热与机舱热管理的仿真和试验研究
图5爬坡工况下排气系统表面VLHTC云图
3．2排气系统外壁面温度分析
排气系统协同仿真计算结果稳定以后的外壁面温度分布云图如图6和图7所示。

从图中可见，最高温度出现在排气歧管处，排气管、催化器和消声器均存在温度梯度的现象。

后消声器入口处的排气进入消声器的位置偏向下侧导致后消声器下侧的温度要高于上侧。

结合图8可知，怠速工况下排气系统外壁面相对均匀的对流换热系数对温度分布的影响较小，而局部不规则的形状限制了内部气流的流动方向，使气流短时间内在流动方向上发生了变化，而气流此时存在着较大的流动惯性，并且高温流体的黏性较大，与近壁面的气流产生了较高的速度差，造成了较大的湍流动能，因此排气系统不规则的形状扰动了气流，气流在近壁处的流动也较为不均匀，最终影响对流换热行为和排气系统壁面温度的分布。

爬坡工况下排气系统内部气流速度和温度更高，加剧了气流与内壁面不均匀的对流换热行为，而外壁面较高的和不均匀的对流换热系数对外壁面的温度分布也有着很大的影响，这使得外壁面温度出现了较大的梯度分布。

图6怠速工况下排气系统外壁面温度分布云图
图7爬坡工况下排气系统外壁面温度分布云图
图8排气系统内部局部流线
3．3温度场分析
图9为怠速工况下后催化器和传动轴的表面温度分布情况，由传动轴表面的温度分布可以看出，虽然后催化器右端更靠近传动轴，但左端的温度更高，导致传动轴靠近后催化器左端的温度要高于相邻区域。

图10为爬坡工况下后保险杠温度场和流场分布云图，从图中可以看出，后保险杠离后消声器最近的区域出现了较大的温度梯度，对比图7可以观察到后消声器不均匀的温度分布使其对后保险杠的辐射热量和流向后保险杠的气体温度都存在区域性的差异。

图9怠速工况下后催化器和传动轴表面温度分布云图
图10爬坡工况下后保险杠的温度场和流场分布云图
由此可见，若使用表面均匀分布的设置作为热边界条件输入，会给离排气系统较近的零部件的仿真模拟结果带来较大的误差，特别是温度分布梯度较大的地方，温度梯度越大，仿真结果的误差就越大。

3．4试验结果对比
在环境舱中对该车型分别进行两种工况下的
2019年第48卷机械设计与制造工程
整车热害试验。

采用大型鼓风机模拟来流，环境温
度控制在（40ʃ2）ħ，
相对湿度为（50ʃ5）%，光照（1000ʃ50）W /m 2。

根据设计要求和仿真结
果，
对排气系统和关键零部件等关键部位以及仿真结果中零部件表面温度最高值位置处进行布点监控，
如图11所示。

图11部分零部件监控布点
先进行爬坡工况下的试验，在车辆运转5min
机油温度保持稳定后，继续运转车辆30min ，记录各个监测点的温度值，
完成后将试验车辆挂到空挡并立即将环境舱的风速降至0，
进行怠速工况下的试验，
在车辆运转5min 机油温度保持稳定后，继续运转车辆30min ，
记录各个监测点的温度值。

同时利用传统仿真方法，即对排气系统每个部
件的温度采用均匀分布的设置进行了计算。

选取部分关键部件的仿真与试验结果进行对比。

图12和图13分别为怠速和爬坡工况下传统仿真和协同仿真结果与试验结果之间的误差对比。

图12
怠速工况下传统仿真和协同仿真
与试验结果误差值对比
图13爬坡工况下传统仿真和协同仿真与试验结果误差值对比
从图中可以看出，传统仿真中排气系统中的部
件温度与试验结果的误差较大，超过了30ħ，这是因为传统仿真法的排气系统外壁面温度设置为均
匀分布，
而测点所在位置为该部件的低温区，故而其温度设置要高于试验值。

ABS 泵在机舱内部远
离排气系统的位置处，
受到高温热流和热辐射的影响有限，
因此无论是传统仿真还是协同仿真的计算结果，
与试验结果的误差都较小。

油箱和吊耳处于靠近表面温差较大的后消声器周围，
测点位置为协同仿真法计算结果中温度最高处，
故传统仿真法的计算结果要低于试验值。

对比图12和图13，可以观察到爬坡工况下部分部件的温度误差要大于怠
速工况下的误差，
这是因为在爬坡工况下，受气流影响各零部件周围存在的各种涡流比怠速工况下
更加难以预测，
仿真结果的流场与真实的流场在复杂的环境下有着不同，
使得周围部件表面的对流换热行为与实际情况有差异。

尽管仿真并不能模拟出准确的流场，而且实际流场的复杂性和测量误差等有限的试验条件以及仿真的输入参数等因素都会对试验和仿真结果产
生影响，
使得试验结果与仿真结果都与真实值存在一定的差异，
但在温度分布变化的趋势上是一致并可取的，因此可以为机舱及底盘的热害分析提供有效的判断依据。

4结束语
采用双向STAR －CCM +至STAR －CCM +共
轭传热协同仿真方法来获得排气系统外壁面温度分布，
相对于基于试验或经验的平均值设置方法更接近实际情况，
以其仿真结果作为汽车机舱热管理仿真分析中的热边界条件能够获得准确并合理的
计算结果，
为试验前各部件温度监测点的位置选择提供了参考和指导，
确保了试验的有效性，缩短了项目研发周期，节约了试验成本。

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Research on the simulation and experimental of conjugate
heat transfer of exhaust system and cabin thermal management of vehicle
Xie Chaojie1，Liu Wenhui1，Wang Zhenhu2，3，Qiu Sawei2，3，Tan Chuanzhi4
（1．School of Mechanical and Electrical Engineering，
Hunan University of Science and Technology，Hunan Xiangtan，411201，China）
（2．State Key Laboratory Design and Manufacture for
Vehicle Body，Hunan University，Hunan Changsha，410082，China）
（3．College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Hunan Changsha，410082，China）（4．Oushang Automobile Institute，Chongqing Chang＇an，Chongqing，400023，China）
Abstract：Aiming at the accurate temperature distribution of the outer wall of the exhaust system in the simulation analysis of cabin thermal management in the early development of automotive projects，it uses two-way STAR-CCM+STAR-CCM+conjugate heat transfer co-simulation method to calculate the total vehicle environment，and uses the convection heat transfer coefficient of the outer wall surface of the exhaust system to describe the distri-bution of the flow field around the exhaust system．It establishes a simulation model of the exhaust system，and simulates the temperature distribution results of the outer wall surface of the exhaust system which is also used as the thermal boundary condition of the cabin thermal management，and obtains three-dimensional steady-state sim-ulations for two adverse operating conditions．It analyzes the thermal damage test of the vehicle based on the en-vironmental chamber，compares the error values between the method and the traditional simulation method and the test result．The results show that the simulation analysis of the thermal management of the vehicle cabin a-dopts the cooperative simulation method to be able to more accurately predict the surface temperature of the parts，and has reference and guiding values for the monitoring points before the test．
Key words：cabin thermal management；exhaust system；conjugate heat transfer；co-simulation
2019年第48卷机械设计与制造工程。