基于Flowmaster的冷却系统仿真研究

刘 涛,张 明,王广基

(1.一汽海马汽车有限公司,海口 570216; 2.上海海基盛元信息科技有限责任公司,上海 200235)

汽车发动机舱是个半封闭的空间,发动机工作时舱内温度较高,一方面舱内各种材料的零部件如橡胶件、线束对温度有一定的要求[1];另一方面发动机本身需要适当的散热,以保证在各种工况下都具有最佳的动力性和经济性[2].当前,评价发动机冷却系统散热能力的方法有3种:① 道路试验,这是最直接、最简单的方法,但是周期长、耗资大,在某一工况下,试验的可重复性差[2].② 环境舱台架模拟试验,采用这样的方法评价比较全面,量化程度高,但对试验设备的要求较高.以上两种方法,都是建立在散热系统的实物基础上.③ 计算机仿真分析,在样件、实车还没有生产出来前,先建立相应的数学模型,借助软件就能对建立的发动机冷却系统进行散热性能的评估,这样会大大节省工程设计的时间和经费[3-4].在整车项目开发中,发动机机舱热仿真是一项非常重要的工作,本文依据某车型1.5T发动机舱热管理背景,采用Flowmaster软件对该车型的冷却系统进行匹配分析[5]，找出系统存在的问题并给出优化方案.通过优化前后试验的结果比较,证实了优化方案的可行性.

1 仿真对象

该车型采用1.5T发动机,系统由散热器、风扇、水泵、节温器、膨胀水箱、暖风散热器以及相应的管路组成.在冷却系统仿真设计中,必须要考虑冷却系统中各流体系统之间的影响,故在仿真模型中,对冷凝器、中冷器也进行了建模.该冷却系统的结构布置图如图1所示.

2 模型标定及仿真

2.1 计算模型

根据冷却系统结构布置图,在Flowmaster软件中搭建模型,如图2所示.

图1 冷却系统CAD图Fig.1 CAD graphical of cooling system

图2 冷却系统模型图Fig.2 Computational model of cooling system

2.2 边界条件

该计算边界参数分为系统和元件参数.

系统参数:冷却液,Glycol/Water 50/50;大气压力,101.325 kPa;计算类型:Heat Transfer Transient瞬态计算;模拟时间:3 600 s;模拟步长:1 s.

2.3 计算工况

本文对某车型1.5T发动机冷却系统进行模拟,根据试验标准标定的3个工况,对3个整车工况进行瞬态分析,3个工况的参数如表1所示.

表1 仿真工况参数Tab.1 Working condition parameter of simulation

2.4 仿真结果分析与仿真对标

通过仿真分析,我们可以了解几个工况的冷却系统工作循环过程,如图3～图5所示.

从图3可看出,高速工况时水套水温在327 s内急剧上升,此时节温器尚未开启,冷却液吸收的热量全部用来提高冷却液本身的温度.327 s后,节温器开启,在1 500 s时节温器开度稳定在0.966,此时水套水温也达到平衡值97.97 ℃.

图3 高速工况工作循环Fig.3 Working cycle of high speed condition

图4 9%爬坡工况工作循环Fig.4 Working cycle of 9% slope condition

由图4可看出,9%爬坡工况节温器在336 s后开启,在555 s时就达到了最大开度1,此后水套水温缓慢上升直至达到平衡值109.92 ℃.

图5 15%爬坡工况工作循环Fig.5 Working cycle of 15% slope condition

从图5可以看出,15%爬坡工况节温器在266 s后开启,在425 s时就达到了最大开度,此后水套水温开始缓慢上升直至达到平衡值128.64 ℃

我们通过试验标准进行了热平衡试验,具体的对标结果如表2所示.

表2 仿真对标Tab.2 Comparison of simulation and test results

其中在15%爬坡工况试验中,因样车发动机出水温度超过了许用温度,因此在水温刚达到120 ℃就停止了试验.从表2可看出,3个工况的仿真结果和试验结果误差均在5%以内,验证了仿真模型的准确性.

在15%爬坡工况时,由于发动机转速高且发动机负荷较大,发动机产生的热量相对较大,而此时车速相对较低,因此通过散热器的空气流量较小,导致发动机产生的热量不能被及时冷却,造成冷却液温度升高,由表2可知,该工况的发动机出口水温已经开锅.在高速工况时,由于车速较高,有更多的空气流经散热器,从而能更有效发挥散热器的散热能力,使发动机在较为合适的冷却液温度下工作.

3 优化方案及计算结果

计算和试验都表明,15%爬坡发动机水套出水温度已经“开锅”.重点分析15%爬坡工况计算结果,并与竞品车型进行对比,如表3所示.

表3 车型对比表Tab.3 Comparison of different vehicles

通过表3分析发现存在以下问题:① 通过散热器的风量偏小;② 散热器的水阻偏大,导致通过散热器的冷却液流量偏小.因此,主要从这两方面进行了优化:① 增加风量,因格栅造型已冻结,不能加大进气面积,通过加大风扇转速来提高风量;② 提高散热器的散热效率,选用水阻小的散热器.

综合采用以上两个方案,对15%工况重新进行计算,结果如图6所示.

图6 15%工况发动机水温变化图Fig.6 Engine coolant temperature under15% slope condition

由图6可知,采纳优化方案后,发动机水套出水温度降为114.88 ℃,满足热平衡要求.

4 优化方案试验验证

根据之前的优化方案做出样件重新进行热平衡试验验证,得出的结果如表4所示.

表4 试验结果对标Tab.4 Comparison of test results and simulation ℃

从表4可看出,采取优化方案后,15%爬坡工况的发动机出口水温下降到许可温度以下,符合热平衡要求,试验结果与仿真值误差也较小,说明优化方案是可行有效的.

5 结论

通过对某车型冷却系统仿真研究的结果,得出以下结论:① 预测并验证了整车冷却系统热性能,并通过零部件匹配分析,解决了实际车辆部分工况下过热的问题;② 基于Flowmaster建立的发动机冷却系统模型,可以有效地模拟冷却系统工作循环过程、热平衡状态,从而进行冷却系统的匹配和优化,缩短了研发周期,降低了研发成本.

参考文献:

[1] 周祥军,林志强,陆寿域,等.整车热管理优化模拟及试验研究[C]//中国内燃机学会燃烧节能净化分会2009年学术年会.2009.

ZHOU X J,LIN Z Q,LU S Y,et al.Research on optimization simulation and test of vehicle thermal management system[C]// Chinese Society for Internal Combustion Engines Combustion Energy Conservation Branch Academic Annual Meeting of 2009.2009.

[2] 叶茂盛.通过热平衡试验探讨冷却系统的设计改善[J].合肥工业大学学报,2007(12):26-32.

YE M S.Cooling system’s DOS based on thermal balance[J]Journal of Hefei University of Technology,2007(12):26-32.

[3] 曾昌明,刘芳,詹佳,等.轿车机舱热管理模拟分析[C]//第5届中国CAE工程分析技术年会论文集.2009.

ZENG C M,LIU F,ZHAN J,et al.Passenger vehicle underhood thermal management simulation[C]// Proceedings of the 6th China CAE Annual Conference.2009.

[4] 谢暴,陶其铭.基于CFD的汽车发动机舱热管理及优化[J].汽车安全与节能学报,2016(7):116-122.

XIE B,TAO Q M.Thermal management and optimization of automobile cabin based on CFD[J].Automotive Safety and Energy,2016(7):116-122.

[5] 陈海松,张锡中,孙永盛,等.基于Flowmaster的工程机械热平衡仿真分析[J].矿山机械,2007(6):118-121.

CHEN H S,ZHANG X Z,SUN Y S,et al.Simulation of thermal balance for construction machinery based on Flowmaster[J].Mining & Processing Equipment,2007(6):118-121.