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基于一维/三维及耦合传热的某商用车机舱热管理研究与改进

盛嘉文  
【摘要】:汽车的核心部件包括发动机动力总成、冷却系统、进排气系统、电子电器系统等基本都布置在发动机舱内,为了使机舱内发热元件得到足够冷却,同时保证其高效率可靠工作,需要根据机舱内的空气动力学特性及热特性对发动机冷却系统、进气格栅和机舱内元件布置等进行优化匹配,即对发动机舱进行热管理。本文采用一维/三维耦合方法,得到了发动机舱流动散热特性,结合发动机运行工况,分析了某商用卡车发动机冷却系统;采用耦合传热分析方法,考虑了对流换热、辐射及传导等因素,计算得到机舱内的温度分布。主要研究工作及结论如下:(1)基于STAR-CCM+软件建立了整车及发动机舱流动仿真模型,模拟了发动机舱内部流动散热状况。处理模型过程中采用包面、网格重构的方式,应用多面体网格建立整车流场计算域,缩短前处理时间,减少网格数量,节约计算资源。(2)应用一维/三维耦合分析方法对机舱冷却系统进行分析。首先建立了发动机冷却系统一维传热分析模型,然后将三维流场计算结果作为一维模型的流动边界,应用所建模型分析了不同工况下冷却系统的工作状况,并为发动机舱传热分析提供热边界。最后将一维、三维、一维/三维耦合得到的换热器冷却空气流量进行了对比分析,验证了所采用分析方法的可行性。(3)基于STAR-CCM+和RADTHERM软件建立发动机舱耦合传热分析模型。首先在STAR-CCM+三维流场仿真的基础上计算发动机舱初始流体温度场,通过数据映射将温度场结果作为RADTHERM三维传热模型的边界条件,然后将计算结果作为三维流场的温度边界,经过多次迭代得到稳定收敛结果。最后研究了迭代次数对计算结果的影响,结果表明经过三次迭代后,计算结果收敛。(4)应用发动机舱耦合传热分析模型,分析了发动机舱在不同工况下的流动与散热特性,结果表明流经散热器上方区域的冷却空气未得到充分利用,且存在边缘泄露问题,同时,在中冷器下方区域,不同工况下都存在较严重的回流,空气回流会影响中冷器的散热性能;高速工况4为热负荷最高的工况,机油油管、干燥罐、压缩机、发电机等部件温度较高,其余工况温度较低。(5)针对上述存在的问题提出改进措施并进行分析验证。通过采取在散热器上方及中冷器下方加装挡板,加强冷却前端密封性的措施,结果表明中冷器下方热空气回流问题得到了解决,且与原方案相比,散热器空气流量增加了2.88%,中冷器空气流量增加了15.38%,发动机舱的散热性能得到了改善。


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