基于STAR-CCM+和KULI的某重型商用车热平衡仿真分析

乘风破浪_ 2023年8月30日浏览：1606 收藏：2

摘要：本文利用STAR-CCM+的计算结果作为KULI的输入对某柴油机商用车进行热管理仿真计算，将计算结果与试验结果对比，分析该柴油机冷却系统的散热能力。针对以上结果，提出优化方案提升该系统的散热能力，提升散热器许用温度，降低中冷器进气温升。通过三维一维相结合的仿真计算方法，对柴油机机舱进行热管理分析，合理有效，误差可控。该方法能够有效地提升柴油机冷却系统匹配的效率，可以准确地进行热管理分析。对于冷却系统的优化改进，能够进行正向分析，做到合理匹配、高效开发。

1 STAR-CCM+三维计算

1.1 三维模型

某柴油机商用车整体选用的是全尺寸模型，由于整车及发动机的零部件数量较多且布置紧凑，故在不影响模型计算精度的前提下，对计算模型进行了部分零部件的删除简化，以便缩短计算收敛时间。最终将三维模型布置在STAR-CCM+计算流场中，如图1所示，整车模型中，长L宽W高 H，其中流场区域总长度为11L，总宽度为8W，总高度为6H，其中车前约为4L，车后约为7L。冷却系统的选型布置需要考虑整车的空间及发动机的性能，如图2为该柴油机商用车中冷器、散热器、风扇三维布置图，其中中冷器迎风面积与散热器迎风面积比例如图所示，风扇直径790mm。

图1 流场设置

图2 冷却模块

1.2 网格划分

在STAR-CCM+中生成的面网格并修复不合格的表面，然后划分计算区域，并设置棱柱层，棱柱层厚度和尺寸可根据需要单独对零部件进行设置，采用切割体网格单元生成器生成体网格，最终生成的网格总数约为2804万。采用K-Epsilon湍流模型，对于整车附近区域进行了加密处理，同时对于散热器、中冷器、风扇、进气格栅等敏感部件也进行了局部加密。其中，整车附近区域加密网格尺寸为200mm，发动机、风扇、中冷器、散热器、进气格栅的网格尺寸为3-7mm，整车网格尺寸12.5mm。整个流场区域的横截面网格分布如图3所示，其中右边是散热器和中冷器的局部截面网格。

图3 截面网格

1.3 边界设置

整个流场的进出口分别设置为速度进口和压力出口，进口速度设置为20km/h，流场的其他外表面设为壁面。为了有效地模拟的风扇的旋转状态，采用MRF(多参考坐标)的方法，在风扇表面设置边界，区分风扇运动区域，该区域采用旋转坐标系，模拟风扇旋转，计算结果更真实有效。在模型中，从车头方向向后依次是中冷器、散热器、风扇，风扇吸风增大进气量，提高散热能力。风扇速比采用1.16，发动机转速分别为900r/min、1100 r/min 、1400 r/min 、1900 r/min。

为了更好的模拟空气流经中冷器和散热器，故单独再将两者芯部模型设置成多孔介质，根据散热中冷的试验性能参数求出多孔介质的压降，与表观速度联合求出多孔介质的粘性、惯性阻力系数，通过这些参数来体现模型的流动特征。计算公式如下：

Δp=av+bv2

式中：ΔP即换热器冷侧压力梯度，Pa；a即粘性项阻力系数；b即惯性项阻力系数；v为冷测空气流速。

用以上方法即可建立两换热器多孔介质模型，通过交界面连接该模型与外部模型，相关数据见表1。

表1 多孔介质参数

1.4 计算分析

如图4是柴油机商用车在流场中横截面的速度分布，该速度分布云图选取的是风扇转速1624 r/min(1.16倍发动机转速)。图中可看出，在风扇作用下，空气依次流经车头格栅、中冷器、散热器，为了提高冷却系统的冷却效率，在整车布置时应当尽量避免热风回流。

图4 流场截面速度分布

2 KULI一维计算

2.1 一维模型

以上三维软件STAR-CCM+与一维软件KULI相结合计算并研究重型车的热平衡，分析其计算结果，并将其与试验结果对比，验证仿真结果的准确性。根据整车中冷器、散热器、风扇、柴油机的布置结构，建立一维仿真模型，其中换热器的性能参数及物理尺寸根据试验数据得来，并用于模型搭建，具体如图5所示，图中，从左到右依次是cp压力系数、中冷器、散热器、阻力矩阵、风扇。

图5 冷却系统一维模型

由于整车结构、进气格栅形状、发动机机舱空间大小、换热模块整体尺寸及管路布置方式等的影响，换热模块表面速度分布通常都存在差异，为了使计算结果更接近真实情况，我们通常将换热模块模型分成多个区域，运用三维计算软件STAR-CCM+得到速度分布，然后在KULI中添加并编辑阻力矩阵。根据该整车匹配的散热器性能、中冷器性能参数，风扇性能参数，在KULI软件中建立散热器、中冷器、风扇模型，图6为散热器性能MAP，图7为中冷器性能MAP。

图6 散热器换热性能MAP

图7 中冷器换热性能MAP

2.2 计算结果

经过以上建模、计算，整车的热平衡仿真结果见表2。

表2 整车的热平衡仿真结果

为了验证车辆在严苛条件下的散热能力，热平衡试验需要控制迎面风速小于20 km/h，并且环境温度要求高于30℃。试验时，一般测量柴油机额定工况及大扭矩工况，要求风扇全速运转，且在一定时间内水温变化值小于1℃，此时记录数据。本文研究的重型商用车热平衡试验结果见表3。

表3 整车的热平衡试验结果

将上述仿真结果与试验结果进行对比，分析散热器中冷器的冷却效果，对比结果见表4和表5，两结果相差不大，进气温升和极限使用环境温度的差值均在1℃以内，说明该仿真计算方法误差较小，可用于后续开发过程中冷却系统的优化匹配。

表4 仿真与试验结果对比(进气温升)

表5 仿真与试验结果对比(极限使用环境温度)

3 优化分析

上述结果显示，发动机转速1100-1900 r/min时，进气温升均在30℃以上，说明中冷器的冷却效果并不好。增压后的空气中氧气的密度也会降低，进而降低柴油机的有效充气效率，直接进入燃烧室还会引起缸内燃烧温度过高，影响排放以及带来其他故障，故中冷器的作用十分重要，应当优化其冷却效果，满足设计开发的要求。针对上述结果，更换迎风面积更大的中冷器，计算结果见表6。

表6 优化中冷器仿真结果