采用CFD与KULI耦合的机舱热管理仿真研究

工况模式
发动机 散热器冷却 中冷进气 中冷进气 散热量/kW 流量（/ L/min） 量（/ kg/s） 压力/bar
115 km/h_3%
39
60
0.0614
1.3
40 km/h_10% 26.6
43
0.0370
1.3
三维热管理模型在 STAR-CCM+软件中设置 求解，体网格采用 Polyhedra（l 多面体）网格，接近 车身区域的流动变化剧烈，进行区域网格加密（见 图 4）以提高计算精度。为更好捕捉车体表面及机 舱内部实际流动情况，车体表面及发动机舱内部 采用 4 层增长率为 1.3 总厚为 8 mm 的边界层；考 虑地面效应，地面采用 12 层增长率为 1.3 总厚度 为 50 mm 的边界层：最终生成的体网格数量达到 4400 万。
1.2 一维仿真结果
机舱内发动机运行时冷却液温度是否达到热 平衡状态是评价冷却系统能力的重要指标，其最 终表现为外部空气冷侧能够及时带走热量使得机 舱内部趋于热平衡状态。表 2 为车型开发前期， 为评估格栅造型是否满足机舱内部热平衡要求， 计算得到的热管理系统换热部件对三维空气冷侧 进风量最低需求值，以便结合三维仿真结果直观 判断。
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机电技术
2019 年 2 月
采用 CFD 与 KULI 耦合的机舱热管理仿真研究
陈义
（东南（福建）汽车工业有限公司 汽车研究院，福建 福州 350119）
摘 要：应用三维 CFD 技术和一维 KULI 耦合仿真方法对某正向研发的 SUV 进行机舱内空气动力学流动预测和冷却 热害分析，得到严苛爬坡工况下的流场温度场结果，发动机进气、进水温度等评价整车热平衡能力重要指标，并根据预测 的风险点提出改进方案；后续样车阶段的整车热平衡试验验证该偶合计算方法在发动机舱热管理正向研发阶段的可靠 性，为车型空气动力学性能研究和机舱零部件布置累积经验。
表 2 冷侧最低进风量需求一维仿真结果
冷却部件
不同工况模式下冷侧 最低进风量（/ kg/s）
115 km/h_3% 40 km/h_10%
备注
散热器
1.357
0.894
最高出水温度 按 113℃设定
中冷器
0.255
百度文库
0.162
最高进气温度 按 60℃设定
2 三维热管理模型计算
2.1 三维仿真模型
图 4 机舱网格模型
1 一维热管理模型计算
1.1 一维仿真模型建立
根据发动机舱空间实际布置情况（见图 1），在 一维 KULI 软件中选择相应的部件按三维机舱的
实际空间位置建立一维热管理模型。热管理模型 包含空气侧系统和内循环系统。
冷却循环系统内部气、液侧的参数为：发动机 冷却液选定为 Water/Glyco（l 50/50），外部空气侧选 用 理 想 气 体 ，初 始 化 大 气 压 参 考 值 按 默 认 值 101325.0 Pa 设定，依据整车热平衡试验实际情况， 软件中物理模型计算选择稳态传热模式；模型中 风扇为双风扇（几何参数不一样）的类型，大风扇 转速 2100 r/min、叶片直径 373 mm，小风扇转速 2350 r/min、叶片直径 313 mm。
外部空气侧系统依次由上、下造型进气格栅， 冷凝器和中冷器（上下错位布置关系），水箱散热 器，双风扇，舱内发动机变速箱等简化阻力元件等 组成，如图 2 所示。在风扇吸入和行车速度的作 用下，冷空气由进气格栅进入，依次流经中冷器、 冷凝器、散热器、风扇及舱内阻力元件。


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第1期
陈义：采用 CFD 与 KULI 耦合的机舱热管理仿真研究
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图 3 一维机舱热管理系统模型
础台架热平衡试验数据寻找对应的实测数据，主 要包括发动机进出水温、冷却液流量、中冷器进出 气温和进气量等参数，从而可换算得到一维仿真 所需的散热器散热量、中冷器散热量等工况参数 （见表 1）。
表 1 热管理系统内部主要输入参数
2.2 湍流模型选用及边界条件设置
发动机舱内部空气为低速流动，考虑到汽车 机舱内部的气流流动速度较低且密度变化小，计 算域可假设气体为黏性定常不可压缩流体，流动 规律遵循流体基本控制方程[6]。因 Realizable k- ε K-Epsilon 模型在边界层及剪切流流动中的良好 适应性，本次分析湍流选用该模型，同时，采用分 离式求解的方法（Segregated Flow Model）来计算速 度和压力变量，对流项的离散采用二阶差分格式， 换热器芯体处的流动模型采用多孔介质（Porous media）模型处理。选取两种整车热平衡试验严苛 工况进行仿真，然后根据工况和满载质量，换算出 车 速 和 坡 度 对 应 工 况 下 发 动 机 转 速 、扭 矩 和 功 率。工况参数如表 3 所示。
图 1 机舱布置

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图 2 空气侧模型
内部循环系统包括中冷器内部经涡轮增压后
的高温气体冷却回路、发动机冷却液循环回路和
空调冷凝器冷媒循环回路等。在 KULI 中建立完 整的热管理系统模型如图 3 所示。
根据发动机的扭矩功率工作点，从发动机基
作者简介：陈义（1986—），男，工程师，硕士，从事汽车空气动力学性能集成研究。
关键词：机舱热管理；进风量；耦合仿真 中图分类号：U464.138 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2019）01-028-04 DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.01.008
为满足消费者对动力性、经济性、舒适性和美 观性的要求，工程师倾向于设计流线型、低小身的 车型，导致发动机舱空间减少；而增压和缸内直喷 等新技术的应用，使机舱内部件增多且产生更多 的热量[1]；所以保证发动机舱达到热平衡是车型开 发性能目标之一。三维仿真机舱模型复杂，部件 材料参数及高温热源温度通常难以获取；而一维 计算缺乏详细真实的流速压力分布作为输入条 件，计算存偏差：因此，将两者耦合起来，输出结果 互相作为输入进行模型迭代校核成为热管理分析 的常用形式[2]。在一维仿真研究方面，同济大学利 用 KULI 建立了某载重车热管理系统模型，研究了 不同水箱风扇对整车热管理系统的影响，降低冷 却系统能量消耗[3]。上汽集团利用三维 CFD 软件 评估了某轿车的冷却系统，并将分析与试验结果 进行对比，发现计算结果与试验基本吻合[4]。梁小 波等利用一维和三维联合仿真工具分析了某款新 轿车的冷却系统性能，结果显示耦合仿真在机舱 热管理具有更高的精度[5]。本文采用耦合仿真方 法对某正向研发的 SUV 发动机舱热平衡能力进行 评估，预测高速爬坡、中低速爬坡工况下的冷却能 力，对风险点在设计阶段给予改善，以利节省后期 样车改善时间和试验费用。