汽车空调系统冷却组件的数值分析外文翻译资料

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汽车空调系统冷却组件的数值分析

摘要

本文的主要目的是开发一个可以由开发工程师用来分析车辆冷却系统的性能的3D CFD程序。

制造新车辆时通常需要较短的开发周期，同时不断改进车辆的性能和质量。这些要求加速了用于车辆测试模拟的计算机辅助工程（CAE）工具的使用。对于发动机冷却，使用CFD工具预测前端气流模式是非常重要的。然而，车辆的前端和车身底部区域的几何形状非常复杂。从这项研究可以预测汽车冷却系统的性能，并与实验数据进行比较。也就是说，本文提出了一种预测散热器的冷却剂入口温度的方法。该方法可以在真实车辆模型中预测冷凝器和散热器前面的冷却剂和空气流动模式。这种方法采用SIMPLE和SIP数值方法来解决不可压缩和三维流体运动的Navier-Stokes方程。应用标准的k-ε湍流模型，并将壁的定律应用于壁边界。本文根据各种条件完成大量模拟，并将结果与​​现有的实验数据进行比较，以验证方法的准确性。

关键词

车辆冷却系统；SIP；验证；冷却剂入口温度；CFD

1. 简介

在汽车工业中，车辆设计越来越多的使用快速更新的先进技术。车辆冷却系统的作用是确保发动机保持在其最佳工作温度。

现在的产品开发流程的趋势是持续缩短交付时间和物理测试的数量。使用CAE的目的是在组件/系统构建之前准确预测车辆冷却系统的性能。

当今的车辆发动机冷却系统中的冷却气流是由风扇工作和车辆的运动产生的冲击效应吸入的空气组成。该气流通过格栅，冷凝器，散热器，冷却风扇和其他部件，将热量排入周围环境。从理论上和实验上都知道，散热器前面的空气的流量和温度对散热器的散热能力和冷却系统的性能具有很大的影响。 因此，气流是影响发动机冷却系统性能的重要因素，并且在发动机冷却系统设计中始终值得我们关注。

由于复杂的流动模式和影响流动现象的动态因素，冷却气流的分析和实验研究是具有挑战性的。

图1示出了通过格栅进入冷却系统的空气。 随着空气前进通过每个部件，存在相应的压降和上升。预测冲压空气效应将使用商业CFD程序而不是实验测试来计算。 当然，CFD结果的验证应该在使用商业CFD程序之前完成。

许多CFD供应商提供前端模拟与一维冷却性能相结合的能力。一些一维冷却性能代码，例如KULI，也可以用于集成三维CFD。 使用KULI-CFD，可以实现热交换器上的不均匀空气流分布，同时利用由CFD分析计算的热交换器上的冷却空气速度分布。CFD的结果被传送到KULI，并计算冷却剂入口温度。 在类似的研究中，Bernhard的结果表明，热交换器程序可以通过使用Star-CD中的用户定义的子程序直接与罩下流模拟耦合。

另一篇论文表明，用CFD获得的散热器的冷却剂入口温度在实验数据的plusmn;4℃内，差异取决于汽车速度。但是这些方法要求工程师使用商业CFD代码和网格划分软件具有丰富的经验。

Sakai展示了在早期开发阶段通过利用计算机模拟优化的冷却系统的一个示例。通过软件“STREAM”进行数值模拟以获得通过发动机舱室的气流速率。该系统的优化被用于节省成本和减轻重量的实验研究的设计。 测试值与计算值相关性很好，证实CAE对于节省原型成本和时间非常有帮助。

此外，Moffat介绍了一种方法来耦合1D和3D CFD模型，用于预测发动机冷却回路中的瞬态液压。

一般来说，汽车冷却液压网络的解决方案需要构建两个单独的模型。最初，需要3D CFD模型来预测通过保险杠孔的气流模式。 然后将结果送入1D液压模型。 然后使用1D模型通过热交换器性能的测量或预测结果和计算的散热器冷却剂流速来预测发动机冷却剂温度。预测单个驱动周期，车辆速度和发动机负载连续变化的电路内的瞬态温度和流速可能变得非常耗时。这项研究描述了一种耦合这两种方法的技术，消除了对于每个车辆操作条件重复计算3D解的需要。 建模方法可以轻松地扩展，以预测任何冷却系统组件策略中的变化的影响。

图 1 （a）冷却模块的构造示意图和车辆的发动机室中的空气流动模式。（b）压降和上升取决于每个部件的功能。

Jansen展示了另一种使用Lattice-Boltzmann方法来解决发动机冷却系统的方法。Lattice-Boltzmann方程（LBE）求解器替代了Navier-Stokes求解器。 他们不需要任何特殊的迭代程序来满足质量，动量和能量守恒。本文表明LBE解算器在数值上效率很高并具有良好的鲁棒性。 增加的数值效率允许处理具有非常大量的元素的矩阵，并且Boltzmann方程的性质允许改进对与壁表面的流体流动相互作用的处理。他还提出了在几个驾驶条件下的路虎LR3和福特蒙迪欧的冷却气流和外部空气动力学模拟。

Nicolas Francois表示Fluent CFD软件是一个快速且成本有效的工具，并在热交换器设计优化的不同阶段越来越多地使用。几个突出的例子表明，CFD分析改进了散热器，冷凝器和冷却系统在车辆发动机罩区域的性能设计，但没有公开模拟或测试数据的细节。

本研究提出的方法有助于汽车工程师设计具有可靠CFD数据的冷却模块。 该方法很简单，只需要将计算域与专门开发的汽车冷却模块组合以计算CFD解。

1. 数学方法，建模和求解

2.1控制方程

为了解决对应于车辆和冷却系统模型的复杂几何形状的复杂物理现象，存在必要的要求。 需要一个用于稳定求解的简单坐标系。 另外，定义计算域与简单坐标系和复杂几何形状的关系的特殊方法也是必要的。

通常，当散热器的冷却剂入口温度在测试时间内变化很小时，完成发动机冷却模块的测试。 因此，本研究使用稳态连续性，动量方程如下，因为不需要求解瞬态方程：

- 连续性方程

- x，y，z动量方程

在上述等式中，分解应力张量，使得一部分法向应力出现在扩散项中，其余部分包含在Sj中。

- 能量（温度）方程

• 1. 湍流模型和壁功能

当流动是湍流时，解变量可以被划分为时间平均值及其瞬时分量。 例如，瞬时速度可以分别表示为U u，表示其平均值和波动值。 然而，由于我们通常对平均值而不是波动值感兴趣。

对于大多数工程目的，没有必要解决湍流波动的细节。 因此，将标准的两个方程k-ε模型应用于研究。

minus;????2;09;

应用与壁平行的速度的基本壁函数方程。 “墙的对数定律”方程如下

在该公式中，kappa;是von Karman常数（0.4187），E是取决于壁的粗糙度的积分常数。 对于具有恒定剪切应力的光滑壁，E等于9.0。

• 1. 计算域和复杂几何

图2显示了本研究中使用的车辆模型。该模型考虑到真实的车辆形状（车辆的总长：4800mm，车辆的全宽：1830mm，车辆的总高度：1475mm）并且由车辆的外部，发动机缸体，发动机环境块，载体部件，车轮，散热器，冷凝器和风扇。 格栅开口面积与车辆相同。 热交换器（即冷凝器和散热器）也具有与实际部件相同的尺寸。

准备与计算几何相关的数据输入的过程如下：

步骤（1）从CAD或其他特殊的内部几何程序获取复杂车辆几何形状并用hypermesh或其他前处理软件划分四面体网格。

步骤（2）使具有非均匀正交网格的计算域与所有复杂几何的范围良好匹配。

图3示出与车辆模型的四面体几何结构合并的计算域。 与四面相交的域中的每个单元将具有由内部程序计算的空气占据的可用面积。

步骤（3）每个网格单元与几何的四面体网格相交。通过本研究开发的内部第一个程序计算每个单元格的表面编号和连接，并排序独特的曲面编号并保存结果。 也就是说，通过使用特殊的内部算法，确定与四个表面接触的每个网格面。

图 2 车辆模型用于模拟和正视图显示的载体，保险杠框架，冷凝器，散热器和风扇。

步骤（4）内部第二程序利用上述结果数据自动计算每个单元的开放区域，参见图3、图4。

网格

空气

空气

空气

表面

图 4计算单元的分割部分与网格的表面。

图 3车辆模型几何与计算域连接。

使用HP C8000机器（4G RAM）计算所有网格的开口面积需要大约1小时。 在这项研究中，计算域由约500万个网格和140,000总表面组成。

计算单元的数量取决于详细的表面信息。 如果网格小，则计算单元的数量将更大。工程师通过检查每个单元格的大小和表面的四网格来决定总单元格的数量。 我们应该关心的是几何细节如何准确地反映现实。

• 1. 热交换器和风扇的建模
     1. 热交换器模型

冷凝器和散热器芯被建模为具有对于空气侧压降的经验相关性的矩形流体域。 定义了两个多孔区：一个用于冷凝器，另一个用于散热器。阻力系数由组分量热计测试提供的压降曲线确定。在动量方程中，该压降被视为源项。 使用ε-NTU对环境空气和冷却剂之间的热传递进行建模。热交换器的有效性被定义为实际传热速率与最大可能传热速率的比率。可以在任何标准的热交换器中找到ε-NTU的应用，这样可以得到散热器的效率εeff。

总传热速率如下

上式表明，对于两种流体之间的给定温度差，芯效率越高，散热器容量越高。来自实验数据的εeff的表是空气速度和冷却剂流速的函数。εeff，ca和Ta，i的变化在正常操作条件下很小。因此，供应冷却剂入口温度Tw，i是影响给定气流速率的容量的参数。通过测试或由车辆实验室估计来决定给定发动机进入冷却剂的热量。在程序中，散热器的热容量在能量方程中被视为热源。进入冷却剂的发动机热量是给定值。 如果存在偏差，程序会自动重复并调整冷却液入口温度。 所使用的热交换器模型根据操作环境条件计算核心的总热排放和散热器的冷却剂入口温度。

在发动机的部分负荷运行范围内，传统的冷却系统必须除去过量的热量并且显着降低部件温度。图5示出部分负荷行驶操作中的热平衡。 “Q_Engine_In”是供应给发动机的能量，“Pe”是有效发动机功率，“Q_exhaust”是到周围大气的废热。 Q_water，是发动机热量进入冷却剂，约为提供给发动机的能量的20％，是应在冷却系统的分析中需要吸收的热量。

车辆速度

热量流动

图 5部分负载期间发动机的热平衡。

• • 1. 风扇模型

叶片上的风扇压力升高从实验数据获得，并且在动量方程中被视为源项。 由实验获得的数据的压力上升曲线用无量纲风扇函数如phi;，psi;建模。

由于风扇特性取决于风扇叶片区域中的空气密度，所以无量纲函数与车辆估计的工作条件下的空气温度相关。

• 1. 其他

为了准确计算冷却气流速率，使用密度和粘度的可变流体特性，能量方程必须与动量方程同时求解。这些流体性质随温度变化。使用不可压缩的理想气体定律建模密度，并使用多项式函数对粘度进行建模。 使用的湍流模型是具有标准壁函数的标准k-ε。计算在连续步骤中进行：动量和湍流方程被求解并且能量方程在热交换器模型被激活的同时被求解。

1. 结果与讨论

3.1 测试实验

散热器仪表包由安装到芯的前面的15个叶片式风速计组成，参见图6a。 该系统在安装有风扇 - 电动机 - 护罩组件的流动支架上在宽范围的流速下校准。 在流动台上校正的流速测量的精度为约2％。

在流动台上的实验室校准对于通过消除测量系统中的一些不确定性来提高实验数据的质量是必要的。 这些不确定性是：（a）圆形风速计未完全覆盖矩形散热器，（b）冲压空气引起的气流导致风速计测量不准确的气流，以及（c）护罩和风扇在散热器上施加非均匀的速度梯度。 在真实车辆测试中，前端配置在散热器上施加附加的速度梯度，如图6b。

图7示出了测量和模拟之间的偏差。 特别值得注意的是，在高速下偏差较大。 原因是如上所述，冲压空气引起的气流导致风速计测量不准确的气流。 测试的空气速度是15个风速计读数的平均值。 类似地，模拟中的空气速度是对应于与测试设置匹配的位置处的空气速度读数的计算平均，参见图6。

实验

仿真

空气速度

车辆速度

风速计

图 7 平均空气速度仿真值与测试值的比较

图 6（a）十五个风速计安装在散热器的前表面上。（b）通过实验测试

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