热管理研究综述

王章，高蒙蒙，朱增怀，刘建祥



热管理研究综述

王章，高蒙蒙，朱增怀，刘建祥

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章介绍了热管理研究体系涵盖冷却系统、进排气系统等，企业的热管理发展应从系统集成角度进行统筹管理，展开节能、动力性提升的研究。概述了计算机仿真研究和试验技术。阐述了热管理体系、试验标准逐渐确立对企业提升热管理能力的重要性。

热管理仿真；热管理试验；流动可视化；热成像技术

前言

汽车的热管理影响了车辆的诸多性能，包括发动机性能、燃料经济性、安全与可靠性、空气动力性、驾驶员和乘客舒适性、材料选择、排放、维护以及部件寿命等。随着电子技术、计算机技术的发展以及车辆燃料经济性、排放及驾驶舒适性等相关标准的提高，人们对热管理技术的发展提出了更高的要求，整车热管理的研究和应用技术开发也被各大车企列为主要研究项目之一。

1 热管理研究体系

1.1 发动机机舱热管理

发动机热管理是从系统整体角度集成控制发动机的燃烧、增压及进排气、冷却系统和发动机舱等的传热，提高循环效率，降低热负荷，研究发动机部件高低温极限、温度分布或者舱内风速的走向和大小（见图1）。应用发动机热管理技术，可以保证关键部件和系统安全、高效运行，控制和优化热量传递过程，减小冷却系统的尺寸和功率消耗，合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染[1]。

1.2 乘员舱热管理

乘员舱热舒适性是一个综合性瞬态分析项目，不仅受到车辆本身的各种因素（空调和出风口设计、动机的生热、车体材料、漆膜、内饰材料、玻璃窗材料透射等）影响，还受到车辆外部环境（地面环境、天气状况等））及乘员的生理条件等诸多因素的影响。目前通常方法是通过流体计算仿真乘员舱内的空气温度，以此评价舒适性（见图2）。瞬态分析的计算周期十分漫长，且无法真实地模拟各种影响因素，简单地通过舱内气体温度来评价是否舒适显得不够精准。因此，开发可视化的乘员舱升温降温研究，进行区域性的温度变化测试，有助于更精准的控制舱内温度并提升产品性能。

图1 优化前后机舱CFD速度矢量图[2]

图2 乘客舱流体计算域及体网格剖面[3]

1.3 底盘热管理

底盘热管理主要对象为发动机的排气系统，消声器、三元催化器等部件的温度非常高，需要保证排气系统与相邻部件之间的间隙合适，还要分析隔热装置对排气系统热辐效果的影响，以便在适当的位置添加隔热装置。（见图3）。

图3 车身底板试验温度与CFD仿真温度对比[4]

1.4 制动系统热管理

汽车制动过程中是依靠刹车盘和刹车片之间的摩擦阻力进行刹车。由于摩擦生热，刹车系统温度会升高，当刹车盘和刹车片温度高于特定数值后，摩擦片之间的摩擦系数将迅速下降，刹车系统性能衰减，甚至会刹车失效的情况。温度升高也可能使刹车盘产生热裂纹，导致刹车系统的损坏。因此必须要在车辆设计阶段对刹车系统进行研究，并对刹车系统性能进行预测，为刹车系统的设计和选型提供参考依据。

1.5 系统部件设计与安装布置

明确系统部件和介质的传热机理，通过流体仿真软件探明整个系统的热流分布，对部件的结构和安装方式进行优化，使系统热量合理分布，降低废热排放。如紧凑型冷却系统的研究，换热器系统集成化的研究等。

2 热管理仿真研究

数值仿真计算已经成为热管理重要的研究分析工作，随着计算流体力学和传热学的快速发展及应用，计算的项目逐渐增多，计算的速度和精度逐步提高，仿真计算的工作内容也会复杂化和多元化。整车的热测试不仅要考虑车辆的行驶工况，还要考虑外围环境因素的影响，有些影响因素很难通过仿真手段实现，比如日照条件等。如果能通过仿真手段模拟各种测试条件，不仅可以保证试验条件具有很好的重复性，而且可以通过仿真计算发现潜在的热问题从而降低实车试验成本、缩短研发周期。

2.1 一维仿真研究

汽车领域一维流体仿真软件有Flowmaster、KULI、GT、AVL等，前两者在主机厂和零部件厂中占有率较高。

在产品前期开发阶段，Flowmaster可用于模拟冷却、空调、燃油喷射、润滑、进排气等系统的流动、传热活动，可进行瞬态、稳态求解并对压力、温度、流量、传热量等参数进行预测和分析，且具有耗时短的特点。在软件中搭建好模型后，输入各零部件的性能是极其重要的一环，性能来自测试和3D计算得到，测试结果的准确性直接影响1D结果。开展3D分析时，还可使用软件数据接口进行1D、3D联合仿真，3D软件可计算发动机水套或其它冷却系统零部件的水阻、发动机舱或其它位置的进风量、冷却系统管道和发动机表面与邻近空气的对流换热[5]等，可用来在一维冷却系统中作为输入进行计算，而一维分析结果同样可以作为3D模型的数据输入，二者经过多轮迭代计算，可使分析结果更加接近实物表现。文献[6]利用一维软件对某发动机冷却系统进行1D分析，通过试验数据校验原模型的分析结果，然后进行优化，并运用发动机水套的3D仿真结果输入1D进行分析的方法。

2.2 三维仿真研究

车辆热管理是一个复杂的流动与传热耦合系统，早期的仿真研究多采用积分迭代或一维流动假定，随着计算机性能和流体仿真计算方法及相关学科的发展，三维流动和传热数值模拟方法得到大量的应用。三维仿真软件在今天国内的车企中占有着重要的地位，国内车企还不能完成车辆在风洞中的各项性能的测试，所以CFD仿真模拟成为车辆内外流场数据的重要来源。三维流体仿真软件较多，如STAR-CCM+、Fluent、FloEFD、OPENFOAM、ANSYS等。文献[7]采用CFD方法数值模拟小型汽车发动机冷却系统对全车阻力的影响特性，预测结果表明冷却系统阻力占汽车总阻的6.9%，与试验值吻合。

3 热管理试验研究

3.1 整车热管理测试研究

汽车热管理试验研究按照系统分级可分为整车级、系统级、零部件子级。[8]整车试验要求建立公司级不同种类汽车的规范和标准，结果反映设计目标的达成、相较与竞品车的表现；系统级和零部件建立公司级规范和标准，根据市场、技术的变化进行适度修订或变更，结果反映零部件组合后功能性的实现，零部件子级试验对测试结果的精确度要求高。

按照试验种类分级可分为车辆热平衡试验、车辆热害试验、空调高温环境模拟试验、空调低温采暖试验、车辆除湿除雾试验。热平衡试验根据试验环境的不同分为道路试验、风洞试验、转毂试验等，道路试验可参照国家标准“GB/T 12542-2009汽车热平衡能力道路试验方法”，风洞试验、转毂试验由企业或机构根据自身要求制定规范和标准。

3.2 新测试技术应用

3.2.1流动可视化

汽车外部流动绕流特性决定了汽车的空气动力特性，发动机舱内部气流流动特性决定了机舱内流阻力和发动机冷却系统性能，驾驶室和车厢内部通风及空调特性决定乘员舱环境的舒适性。[9]从以上三个方面看出，汽车空气动力学性能对整车综合性能影响十分巨大，已成为评价整车性能的重要指标之一。汽车行业的流动多借助CFD软件计算，但仿真的结果不直观且不够精准，而流动可视化可有效避免这些问题，国内的车企正在逐步推进此项技术的应用（见图4）。

图4 空气流动可视化[10]

3.2.2热成像技术

图5 前排副驾侧窗温度对比[3]

红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接收被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。热图像上的不同颜色代表被测物体的不同温度（见图5）。红外热成像仪在汽车行业的应用有很多，如发动机结构中细微的缺陷诊断、检测刹车盘制动温度、通过空调开启下的热图检测乘员舱气密性、通过后挡加热的影像分析诊断加热丝的分布状态等。

4 结论

汽车热管理研究体系的主要研究内容包括热管理对象热特性研究、热管理系统集成以及热能综合利用等。包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，其中车载热源系统包括发动机的冷却系统、润滑系统、进排气系统和发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等。[8]

由于仿真技术会受到输入边界、环境条件无法模拟、建模能力等限制，所以一些新的技术被提出，如流动可视化、热成像技术可视化等，可帮助分析复杂的空气或传热问题。试验标准直接影响试验结果，而标准的效果最终来自客户对产品的综合评价，企业级的标准建立是一项艰巨的工作，需要投入巨大的人力、物力去解决，统一各方的意见需要对技术、市场反馈有深刻的理解。

热管理研究体系的建立应当由实体部门去完成，部门人员在冷却系统、进排气系统等某方面具有深入研究，部门核心目标应是推动诸多标准的建立、促进各系统热管理人员的合作，最终实现产品竞争力的提升。

[1] 齐斌等.发动机热管理系统试验和仿真研究[J].车用发动机,2008, 8,4(177) :40-43.

[2] 陈雷等.某SUV气动阻力分析与优化[C].2017汽车空气动力学分会学术年会论文集,2017,9.

[3] 刘杨等.SUV 车型乘客舱温度场仿真研究[C].2017汽车空气动力学分会学术年会论文集,2017,9.

[4] 李靖等.考虑热辐射的整车零部件温度耦合仿真[C].2017汽车空气动力学分会学术年会论文集,2017,9.

[5] 张宝亮,范秦寅,胡广洪等.整车热管理的一维与三维耦合仿真[J]. 汽车工程,2011,33(6):493-496.

[6] 刘峰,魏丕勇,陆子平等.利用FLOWMASTER改进增压汽油发动机冷却系统的分析研究[J].科技视界,65-68.

[7] A. Rustem Aslan等.冷却系统阻力对汽车总阻力影响的数值预测模型研究[J].空气动力学学报,2016,4,34（2）:232-238.

[8] 邓义斌,黄荣华.车辆热管理系统及其研究[J].技术应用,2011,1:52- 56.

[9] 胡凯耀.客车发动机舱热管理研究及结构改进[D].湖南大学,硕士论文,2012.

Descriptions Of Thermal Management Resarch

Wang Zhang, Gao Mengmeng, Zhu Zenghuai, Liu Jianxiang

（JAC Automobile Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601）

The paper shows thermal management research system consists of coolant recycle,air intake and exhaust system etc. Company’s development of thermal management should control all of thing about thermal with the view of integrated system, and do more research about energy conservation and performance improvement strategies. And the paper expounds computer simulation research and test technology. At last the paper summarizes importance that can contribute to thermal management with the construction of thermal management system and test procedure to company.

Thermal Management Simulation; Thermal Management Test; Flow Visualization; Infrared Thermal Imaging Technology

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

B

1671-7988(2018)24-206-03

U462

王章(1994.08-)，男，就职于江淮汽车集团股份有限公司技术中心新技术研究院，从事热管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.074