动力舱排烟管引射口外形结构优化研究

宋林森，钟逸彤

(长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130002)

0 引言

为了满足人们对车辆的经济性、动力性等不断上升的需求，动力舱的空间慢慢地变小，所以动力舱越来越紧凑、功率密度也越来越高[1]。这就使得车辆动力舱流场更加复杂，舱内环境温度更高，热负荷持续上升。为了降低动力舱内热流场温度，文中主要针对排烟系统的引射口开展一系列分析与优化。

国内外很多研究者在降低动力舱内温度上做了一定的贡献。LAWRENCE[2]运用虚拟仿真技术模拟发动机舱内空气的流动特性，改善了发动机冷却系统的性能并且有效地降低了发动机零部件的温度。Regin A FELIX对不同前端布置和动力舱的乘用车的空气流动进行了建模仿真，并对比试验结果与仿真结果，误差大约为7.5%。JUAN[3]综合评价影响动力舱冷却空气流动的多方面原因，并对其进行了系统的分析，还制定了一系列较好的优化动力舱冷却空气流动的办法，其中包括汽车形状、换热器、风扇大小、前端格栅和保险杠等。CFD(Computational Fluid Dynamics)技术能够在建立实际的物理模型之前帮助预先决策，能够有效地减小因为设计方面造成的误差。I BAYRAKTAR[4]对柴电混合的重型军队使用车辆的热管理系统做了进一步研究，并运用瞬态的一维和三维仿真进行计算。索文超等[5]对后置履带车辆舱内冷却空气流场、单散热器进行了虚拟仿真，并有效地提炼了各个部件在模型中相应的解决方法，再结合有关的试验探索，表明数值模拟与试验值有着很小的设计误差，最大的误差为9.42%，符合工程设计的要求。在汽车发动机舱热管理方面，赵新明[6]初次使用可视化方法，探究了不一样的工作状况下汽车发动机舱的进风口、热交换器和冷却风扇等部件的空气流量。特种车辆动力舱的CFD模拟分析内部流场也通过李振平等[7]得到了证实。白文龙[8]在动力舱的流场分析计算的同时对进风口的风速、风量和冷却风扇的转向做了进一步的改善。

国外关于动力舱热流场特性分析计算技术非常成熟，研究者对动力舱温度场的分析为文中的研究奠定了基础。作者主要是以降低动力舱内温度为目的，开展动力舱排烟管引射系统的优化。在某个特殊工况下对动力舱内流场进行分析计算，针对排烟系统的引射口进行优化研究。

1 动力舱区域划分

为了对仿真结果进行分析比较，将动力舱内区域分成3个部分，如图1所示，其中区域1是高压配电控制区，区域2是发动机及辅助系统区，区域3是电子器件集中区。区域3是温度最敏感的区域。

图1 区域划分图

2 动力舱内热流场分布

在平原高温最大车速的情况下，进行动力舱热流场的仿真分析，具体速度和温度场分布如图2和图3所示。

图2 速度分布云图

图3 温度分布云图

可以很明显地看出来：舱内空气流动速度越大，其温度也就越低；反之，当流速比较小时，动力舱内温度明显较高。

在这种条件下，温度的分布相对比较恶劣，在这种情况下对引射口进行优化，效果会更加明显。

3 引射口外形结构优化

对引射口长度L和扩散角度α两个参数进行优化。引射口长度和扩散角度具体参数如表1所示。

表1 具体尺寸参数表

3.1 引射口长度尺寸优化

按照表1中的长度参数分别构建引射口三维模型，如图4所示。

图4 不同长度L的引射口三维模型

对排烟管和引射口周围热流场进行仿真计算，选取4个动力舱空间截面，通过温度场的比较分析，确定引射口最优长度。每个截面的温度分布云图分别如图5—图8所示。

在X=0.8截面上：原长(250 mm)时动力舱的温度场为70～250 ℃；当引射口长度为200和150 mm时，温度流场的温度分布差不多，都为70～200 ℃；引射口长度为100 mm时，温度为70～210 ℃。总体来说，当引射口长度为200或150 mm时散热效果最好。

在X=0.75截面上：原长(250 mm)时动力舱的温度场为70～230 ℃；当引射口长度为200和150 mm时，温度流场的温度分布差不多，为70～200 ℃；引射口长度为100 mm时，温度为70～240 ℃。所以，不是引射口长度越短，它的散热越好。总的来说，当引射口长度为150 mm时散热效果最好。

在X=-0.8截面上：原长(250 mm)时动力舱的温度场为70～230 ℃；当引射口长度为200 mm时，温度为70～190 ℃；当引射口长度为150 mm时，温度为70～200 ℃；当引射口长度为100 mm时，温度为70～220 ℃。总体来说，当引射口长度为200 mm时散热效果较好。

在X=-0.75截面上：原长(250 mm)时动力舱的温度场为70～210 ℃；当引射口长度为200 mm时，温度为70～190 ℃；当引射口长度为150 mm时，温度为70～180 ℃；当引射口长度为100 mm时，温度为70～220 ℃。总体来说，当引射口长度为150 mm时散热效果较好。

图5 X=0.8截面流场云图

图6 X=0.75截面流场云图

图7 X=-0.8截面流场云图

图8 X=-0.75截面流场云图

根据以上4个截面的温度流场云图，对每个截面对应各个长度时的温度进行统计，具体的参数如表2所示。

表2 引射口长度尺寸优化温度场统计表℃

可以清晰地看出：当引射口长度为150或200 mm时，基本上在每个空间截面上动力舱内温度都有了一定程度上的改善。再综合考虑舱外温度场分布面积大小，确定引射口的优化长度为150 mm。

3.2 引射口扩散角度优化

在引射口最优长度尺寸150 mm的基础上进行引射口扩散

角度优化，角度参数分别为：15°、20°、25°，构建引射口模型，如图9所示，其中7.628°为原角度。

图9 不同角度α的引射口三维模型

在同样的4个动力舱空间截面上，开展排烟管和引射口周围热流场仿真计算，通过温度场的比较分析，确定引射口最优扩散角度尺寸，最后完成引射口结构外形优化。其温度分布云图分别如图10—图13所示。

在X=0.8截面上：当引射口扩散角度为7.628°时，动力舱的温度流场的温度分布范围为70～200 ℃；当引射口角度为15°和20°时，温度为70～210 ℃；当角度为25°时，温度为70～230 ℃。

图10 X=0.8截面流场云图(L=150 mm)

图11 X=0.75截面流场云图(L=150 mm)

图12 X=-0.8截面流场云图(L=150 mm)

图13 X=-0.75截面流场云图(L=150 mm)

在X=0.75截面上：当引射口扩散角度为7.628°时，动力舱的温度流场的温度分布范围为70～190 ℃；当引射口角度为20°时，其温度与原角度相差无几；当引射口角度为15°时，温度为70～200 ℃；当角度为25°时，温度为70～210 ℃。

在X=-0.8截面上：当引射口扩散角度为7.628°时，动力舱的温度流场的温度分布范围为70～200 ℃；当引射口角度为25°时，其温度与原角度相差无几；当引射口角度为15°或20°时，温度为70～180 ℃。

在X=-0.75截面上：当引射口扩散角度为7.628°时，动力舱的温度流场的温度分布范围为70～180 ℃；当引射口角度为15°或25°时，温度为70～170 ℃；当引射口角度为20°时，温度为70～200 ℃。

根据以上4个截面的温度流场云图，对每个截面对应的各个扩散角度的温度进行统计，具体的参数如表3所示。

表3 引射口扩散角度温度场统计表℃

综合分析表3中的数据：当扩散角度为15°或20°时对降低动力舱内温度起到了一定的作用。但是综合考虑舱外温度场分布面积大小，确定引射口的优化扩散角度为20°。

3.3 排烟管引射方案

根据以上的综合分析，得出最终引射口的优化方案：引射口长度为15 mm，角度为20°。其结构优化示意图如图14所示。

图14 排烟管引射方案优化示意图

4 结论

主要是通过动力舱排烟管引射口优化，降低动力舱内温度。优化后引射口长度为15 mm，扩散角度为20°，最终舱内温度比原动力舱内温度大概降低了10%。这种优化方案为以后动力舱引射口的设计提供了一定了基础。但是要降低动力舱的整体温度，还要对其他方面如通风结构或风扇风量等进行优化。