某混合动力车型机舱热管理分析

张克鹏 蔡培裕 楼军 康志军

（浙江盾安人工环境股份有限公司）

整车前舱热管理性能是整车性能开发中的一个关键指标，前舱温度场直接影响舱内零部件的性能及可靠性。传统开发过程中，整车热环境测试要在车辆开发后期的实车上进行，开发周期长且风险较高。因此在整车开发初期，通过CFD技术进行前舱温度场分析，直观地发现舱内和高温排气系统周围温度分布情况、找出问题、提出合理的改进建议就显得尤为重要。相对于传统车辆，混合动力汽车在动力系统方面更加复杂，不仅和传统车辆一样具有发动机、排气系统等热源，而且有动力电池、驱动电机等热源，动力电池与驱动电机带有独立的冷却系统，使得机舱里的布置更加紧凑，因此，对整车机舱内的热量释放要求更高。近年来，全世界的汽车制造商都依赖于耗时的风洞试验和计算流体动力学（CFD）仿真来研究汽车的空气动力学性能[1]。文章利用CFD软件对某混合动力汽车进行数值模拟，对关键零部件在典型工况下的温度场进行分析评估，并提出改进建议。

1 流体力学方程

计算流体力学是把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，并在计算机上求解。通过微分方程的离散化和代数化，把偏微分方程转化为代数方程，再通过适当的数值计算方法求解方程组，得到流场的数值解，然后通过不同的拟合方法把节点解拟合到网格的对应区域。

流体流动时所有介质满足物理守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[2]。在流体流动处于湍流状态时，整个体系还要遵循湍流运输方程。以上这些守恒定律的数学描述，统称为控制方程。文中选用CFD软件中提供的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算。

湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程。连续方程、动量方程及能量方程，分别如式（1）～式（3）所示。

式中：ui，uj——平均速度分量，m/s；

xi，xj——坐标分量；

p——流体微元体上的压力，N；

μeff——湍流有效粘性系数，Pa·s；

T——热力学温度，K；

U——平均速度，m/s；

k——流体换热系数，W/（m2·K）；

ρ——流体体积质量，kg/m3；

Cp——流体比热容，J/（kg·K）；

ST——流体内热源和由粘性作用引起的流体机械能转变的热能，J。

2 模型建立及边界条件

2.1 模型建立

计算模型为某混合动力汽车，采用CATIA建立其三维模型。前舱热管理分析模型包括前舱总成、车身总成、冷却系统及进排气系统，在前处理软件中进行几何清理和面网格的划分，网格全部采用三角形网格，最终形成Triangle网格数为4 472 394。整车前舱内细节模型，如图1所示。

图1 整车前舱局部细节模型

进行整车CFD分析时，其模拟风洞要减小其阻塞效应，研究表明，低于1%的风洞试验结果，阻塞干扰产生的误差才不需要修正。根据这一理论，计算域上部留6倍车高，左右各留5倍车宽。从车辆空气动力学研究经验来看，汽车风洞试验过程中，汽车尾部有一个比较大的湍流区域，这个区域的流动非常紊乱，数值计算过程中，这个区域如果模拟得不好，会对结果产生重大的影响。所以汽车尾部一般设定8倍车长的区域，保证汽车湍流区域充分发展；对于汽车前部，由于设定的风洞入口的风速比较稳定，为了充分模拟汽车前部的空气流动，汽车前部区域也要留出一定的空间，前部取4倍车长[3]。

由于重点考虑前舱温度场，同时为了减小整个模型的网格数量，该车前部取2倍车长，尾部取3倍车长，上部留4倍车高，左右各留2倍车宽。整车体网格和边界层网格在CFD软件中生成。在网格生成过程中，指定网格最小尺寸为2 mm，最大尺寸为512 mm，边界层厚度为3 mm，边界层数为3层。通过体网格局部加密功能（Volumetric Controls）进行局部加密，将汽车附近的区域网格划分得比较密，远离车身的区域网格密度依次变得稀疏，目的是为了保证在捕捉到温度场的细节和提高计算稳定性收敛性的同时，能控制网格总体数量，节约计算时间。最终生成体网格数量为42 892 952。图2示出整车虚拟风洞体网格模型。图3示出整车中心对称面处切面图，其可显示整个模型加密区域。

图2 整车虚拟风洞体网格模型

图3 整车中心对称面切面图

2.2 边界条件的设定

2.2.1 分析工况

在进行混合动力汽车机舱热管理的数值模拟过程中，一般设定低速爬坡和最大速度2个典型工况，具体工况参数，如表1所示。

表1 某混合动力车型机舱热管理分析工况具体参数

2.2.2 热交换器设定

车辆热交换模块的散热器、冷凝器等模型，如图4所示。

图4 某混合动力车型换热器模型

由于这些模型具有特征小和密度集中的特点，如果生成体网格来计算，运行速度缓慢且无必要，从工程角度更多关注的是换热芯体对整体性能及气流的影响。一般把沿换热芯体的气流在整个模型中看作是连续分布的，芯体沿气流方向的流动假设为多孔介质流动，流体只沿气流轴向方向，不存在其他方向质量交换。在CFD软件中，多孔介质的压降公式表示为：

式中：Δp——流体经过多孔介质后的压降，Pa；

Pi——多孔介质的惯性阻力系数，kg/m3；

v——流体经过多孔介质的等效速度，m/s；

Pv——多孔介质的粘性阻力系数，kg/(m2·s)；

L——多孔介质轴向长度，m。

该车型的多孔介质参数，如表2所示。

表2 某混合动力车型多孔介质参数

2.2.3 热边界设定

汽车运行过程中，主要的热源来自于各热交换器、发动机和排气系统。热交换器热源定义，如表1所示，发动机相关热边界条件定义，如表3所示。排气管表面温度边界，如图5所示。

表3 某混合动力车型发动机热边界条件 ℃

图5 某混合动力车型排气系统表面温度

除了热对流之外，热辐射也是前舱及排气管对周边部件的主要影响因素，计算过程中需充分考虑该因素。图6示出排气管路图，图6中的隔热材料及热性能参数，如表4所示。材料混合顺序为从外到内。

图6 某混合动力车型排气管路图

表4 某混合动力车型排气管路隔热材料及热属性 W/(m·K)

3 CFD计算结果分析

3.1 流场分析

图7示出该混合动力车型CFD分析的流场分布图。从图7可以看出：爬坡工况和最高车速工况在冷却模块前端流场基本一致，空气离开风扇后快速分离，经过发动机后流向机舱上方和前轮罩方向，机舱上方的气流继续向汽车后方流动，轮罩处的气流在汽车两侧紧贴车身继续向汽车后方流动，最后气流在汽车后方汇合形成涡流。

图7 某混合动力车型CFD分析的流场分布图

3.2 冷却模块分析

由于在前舱内冷却模块布置比较紧密，而且该处也是主要的热源分布区域，因此重点考察该区域。表5示出2种工况下冷却模块气流量及平均温度分布结果。

表5 某混合动力车型冷却模块气流量及平均温度分布

从表5中可以看出，气流从前舱格栅进入机舱后，先后经过冷凝器、并排的驱动电机散热器和动力电池散热器后，最后经过发动机散热器和风扇，出口表面温度逐步上升。由于电池散热器的发热量较驱动电机散热器小很多，所以2个工况中，气流经过冷凝器后，到达驱动电机散热器出口表面的温度较动力电池出口表面的温度低；由于最高车速工况的车速较高，经过各个热交换器的气流量较大，能带走更多的热量，所以该工况中各换热器出口表面的温度较爬坡工况低。

图8示出2种工况的前舱温度场分布云图。从图8中可以看出：在爬坡工况，在发动机散热器后方就出现温度超过85℃的气流，且在经过发动机时，发动机周边温度都超过了85℃。虽然最高车速工况中各个热交换器的发热量比爬坡工况都大，但是由于气流流速较大，散热效率较爬坡工况强，因此总体来说，爬坡工况的热环境较最高车速工况更加恶劣。

图8 某混合动力车型前舱温度场分布云图

3.3 关键件温度场分析3.3.1 前副车架及地板

图9示出2种工况的前副车架和地板处的温度场云图。从图9可以看出，由于前副车架和地板都暴露在排气管路上，爬坡工况的结果显示其在排气管路附近的温度都达到了160℃。最高车速工况的结果显示，地板上最高温度达到145℃，而在副车架上，最高温度都达到了200℃。该温度范围对材料的刚度和强度影响不是十分显著，但是对于前副车架的防腐涂层会有一定的影响。

图9 某混合动力车型前副车架和地板温度场分布云图

3.3.2 高压电管路

图10示出2种工况的高压电管路处的温度场云图。从图10可以看出，由于高压管路在涡轮增压器和其隔热罩附近，爬坡工况的温度结果显示，其局部温度已经达到120～138℃，最高温度甚至达到150℃。高压管路温度的目标值在180℃，不过该值仅考虑了绝缘套管材料的热退化，没有考虑导体本身温度的影响。最高车速工况的结果显示，高压管路最高温度在120℃，在目标值范围以内。虽然爬坡工况较最高车速工况的温度值恶劣，但都在容许范围内。

图10 某混合动力车型高压管路温度场分布云图

3.3.3 转向系统

图11示出2种工况的转向系统处的温度场云图。从图11可以看出，由于转向齿条的中部在催化器附近，2种工况的最大温度区域都已经达到200℃，最高温度甚至达到225℃，超过其限定温度（120℃）。因此在该区域应该考虑增加隔热罩，以有效阻止来自于高温催化器表面的温度辐射。

图11 某混合动力车型转向系统温度场分布云图

3.4 试验对比结果

在带有环境的风洞中进行该车型热平衡试验。表6示出冷却模块气流量仿真与试验结果对比，表7示出关键件温度检测点测试结果。

表6 某混合动力车型冷却模块气流量仿真与试验结果对比

表7 某混合动力车型关键件温度仿真与试验结果对比

从表6和表7中可以看出，仿真结果与试验结果的冷却模块流量误差都在7%以内，关键件温度误差最大为10%，这是由于仿真计算过程中忽略了对流换热的影响。仿真与试验结果在各自的绝对值方面有一定差别，但是趋势和幅度基本一致。因此利用CFD仿真结果可以对后续设计优化提供有效支持。

4 结论

文章利用CFD软件对某混合动力车型机舱进行热管理仿真分析研究，并与试验结果进行对比，证明仿真分析的可靠性；通过对关键零部件处的温度场分析，提出风险存在位置，在后续设计过程中需要进行优化。在下一步的车型开发过程中，建议在设计方案定型前，进行充分的仿真分析验证，从而有效避免在高压线束等关键部件出现高温区域。