ANSYS CFD在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用

2017-03-10 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

近年來(lái),汽車自燃的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,這是由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱不及時(shí)造成的。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間狹小,內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜地布置著發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、散熱器、排氣歧管、空調(diào)冷凝器、中冷器等眾多部件。各個(gè)零件及子系統(tǒng)在整車熱環(huán)境中相互影響,空氣流動(dòng)非常復(fù)雜,導(dǎo)致艙內(nèi)散熱不暢,致使機(jī)艙溫度升高,直接影響相關(guān)零部件性能,溫度過(guò)高時(shí)有可能導(dǎo)致部件損壞甚至是發(fā)生自燃等現(xiàn)象。
在這種困難的情況下,如何合理布置機(jī)艙零部件,避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)形成流動(dòng)死區(qū)和局部高溫區(qū),這些都對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是單純的依靠試驗(yàn)來(lái)解決,難度比較大,費(fèi)用高,而且周期相對(duì)也比較長(zhǎng)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱分析中,用于分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)特性和溫度分布,為艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和零部件布置提供指導(dǎo)意見(jiàn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)艙涉及到多種換熱形式:部件內(nèi)部產(chǎn)熱、高溫部件的熱輻射、零部件內(nèi)部導(dǎo)熱、零部件與流體之間的對(duì)流換熱等。ANSYS FLUENT含有常見(jiàn)的各種類型的傳熱問(wèn)題,既包括簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱/對(duì)流問(wèn)題,也包括傳熱和流動(dòng)的耦合計(jì)算,以及比較復(fù)雜的浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)/自然對(duì)流和輻射傳熱問(wèn)題。便捷的附加源項(xiàng)和完備的熱邊界條件,能夠滿足對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射以及混合換熱等多種換熱方式的需求,可以快速地完成相應(yīng)換熱問(wèn)題的建模過(guò)程。
首先考慮汽車在低速負(fù)載爬坡的極端工況。此狀態(tài)下,FLUENT模型耦合一維的冷卻系統(tǒng)模型和一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型,考慮系統(tǒng)級(jí)的邊界條件和性能匹配,可以精確地預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵位置的氣流和溫度分布。

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圖1 一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型

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圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)溫度分布

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表1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵位置溫度分布

當(dāng)汽車經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的低速爬坡后,突然關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻風(fēng)扇,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)會(huì)發(fā)生熱浸現(xiàn)象。此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱主要依靠自然對(duì)流形式。采用瞬態(tài)仿真模擬機(jī)艙的散熱過(guò)程,可以觀察艙內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程。

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圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)流線分布