基于数学模型的整车冷却系统散热性能仿真与试验

汤名权

摘要：为达到降低发动机舱温度，保证发动机正常运行及整车安全行驶的目的，运用AMESim软件建立整车发动机冷却系统数学模型，设定相关参数，对其散热性能进行仿真试验与分析。根据仿真试验结果，得到冷却系统在常见工况下的温度变化特性，绘制发动机进口与散热器出口位置冷却液温度变化曲线、散热器进出口位置冷却液温度变化曲线以及散热器进出口位置冷却液温度温差变化曲线。研究结果可以为今后关于整车冷却系统的试验研究提供理论依据。

关键词：数学模型;冷却系统;发动机;散热器;散热性能

中图分类号：TK423                                      文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2020）21-0024-03

0  引言

在汽车产业迅猛发展的背景下，详细研究与分析整车各系统性能，最小化故障率，尽可能地满足客户需求，对各整车企业而言均十分重要。发动机是汽车的动力源，其性能的好坏会对汽车可靠性与安全性产生直接的影响。在汽车发动机舱内部，有线束、塑料管、橡胶管等非金属件，舱内温度太高会导致高温失效，影响整车安全行驶。而为了保证汽车获取最佳动力，汽车发动机必须有效散热，这对发动机舱冷却系统的散热性能提出严格的要求。

1  整车发动机舱冷却系统

冷却系统是汽车发动机舱内的关键部分，会在很大程度上影响发动机性能，主要包括散热器水冷系统、冷凝器空调系统与冷却风扇等。

1.1 水冷系统（闭式强制循环水冷系统）

水冷系统内部循环通过水泵施压，使冷却液在系统中循环流动。所谓强制冷却，即在水泵转动过程中将冷却介质压力增强，促使冷却介质流动，以此保证发动机在适宜温度下运行，不对其正常工作产生影响。在从发动机外部向水套中流动的过程中，冷却介质对热量进行吸收，向散热器传递。系统大循环与小循环如图1所示。其中，大循环流动指在水泵带动作用下，冷却介质由发动机水套向节温器流动，之后进入散热器，在散热器中同格栅处流入的冷却气流换热，降温后返回水套;当发动机散热量不是很大，冷却介质从发动机水套流出，温度比节温器特性参数低时，节温器不会开启，此时冷却介质会直接向水套流动，此即小循环。

1.2 空调系统

汽车空调系统由冷凝器、压缩机、膨胀阀、干燥器以及蒸发器等构成，其中，冷凝器发挥着必不可少的作用。空调系统工作循环如图2所示。从压缩机出来后，制冷剂会变为高温高压气体，在冷凝器作用下，该气体会与环境冷空气交换热量，变为低温高压液体，而经干燥器除湿缓冲，压力与流量会趋于平稳，向膨胀阀流动，之后变为低温低压液体向蒸发器流动，同车内热风交换热量，降低车内平均温度，以低温低压蒸汽的形式向压缩机流动，如此循环。

1.3 冷却风扇

风扇为发动机舱内的空气流动提供动力，以机械驱动式与电机驱动式风扇应用最为广泛，前者通过V带等同发动机连接起来，转动速度正相关于发动机的转动速度，风量调控灵活性并不高;后者可对风扇的转动速度进行自行调控，风量可控性比较高。

目前汽车发动机主要采用水冷系统，文章亦以此为重点展开研究。

2  数学模型构建

2.1 CFD模型

在构建CFD模型之前，先作以下假设：①不考虑舱内的辐射换热;②空气定性温度为周围环境的温度。

不考虑细小部件的影响，利用AMESim软件构建汽车发动机舱模型，简化舱内结构，然后划分模型网格，局部加密处理舱内流场区域。考虑到舱内结构复杂，空气流动存在很多边界层分离、涡流等情况，此处采用可实现k-e两方程模型对发动机舱内的空气流场进行模拟。将来流空气温度作为定性温度对空气物性参数进行定义。散热器采用多孔介质模型，进行热流密度边界的设置。

2.2 GT-COOL模型

GT-COOL模型对冷却系统的运行进行模拟，基于守恒与能量传输原理，计算系统各部件的散热。图3所示为模型简化结构图。冷却水套带走发动机散失余热，通过散热器向发动机舱空气环境散失。

除散热器会向空气环境散热，冷却系统管道与其他部件表面也通过对流换热向发动机舱散热。计算如下：

（1）

式中各字母表示含义为：

Tw——部件表面温度;hm——平均对流换热系数;Tm——空气主流温度。

散热器冷却液侧换热准则关联式为：

（2）

散热器空气液侧换热准则关联式为：

（3）

式中各字母表示含义为：

Rel，Reg——雷诺准则数;Prl——普朗特准则数。

在上述工作完成后，还要耦合一维与三维模型，经迭代计算确定热流场与发动机舱散热性能，保证实际散热的准确性。

3  试验与仿真

3.1 仿真工况设定

试验设置工况外部气温为-10℃，观察此环境条件下发动机冷却系统的散热特性。另外，将发动机转速设为2500r/min，车速为中高速，行驶路面为平路（坡度为0），仿真时长为200s。表1所示为仿真工况的相关参数（此工况是汽车在实际运行过程中较常出现的一种工况）。

3.2 冷却系统仿真分析

经过仿真试验与相关计算，得到在外部气温为-10℃的环境工况条件下，发动机出口部位的温度以及散热器进口部位的温度，两者的变化曲线如图4所示。根据图4仿真图，在汽车整车的起步环节，发动机出口部位的温度会随着时间的推移而慢慢上升，刚开始，发动机的冷却系统会以小循环模式工作，此时并未将节温器开启，而当时间大约到达15s之时，发动机冷却系统开始由小循环工作状态变为大循环工作状态，此时，将散热器启动，发动机出口位置的温度曲线会出现相应的改变，究其原因，在于发动机在由小循环改变为大循環工作状态之时，节温器的开启程度会不断变大并最终趋于平稳，而节温器达到平稳状态，发动机也会达到稳定运行的温度，大约为95℃。另外，图4所示散热器在15s（亦即发动机冷却系统进入大循环工作状态后）温度才开始上升，这一过程中，散热器本身的温度为外部气温-10℃，在发动机冷却液流入散热器之后，散热器内部气体会与冷却液交换热量，这会将散热器温度升高，当发动机达到稳定运行状态，散热器温度会同发动机的出口温度保持在相同水平。

观察发动机出口位置与散热器进口位置温度的变化，与实际发动机运行过程中发动机的温度改变情况是相符的，这对所建立的数学模型的准确性进行了验证。

进一步，经仿真分析与计算，在散热器开始工作之后，其进出口位置处的温度变化情况如图5所示。散热器进口部位的温度比较高，在外部冷环境的冷却作用之下，出口处的温度会出现相应幅度的降低，这是散热器同外部低温环境条件进行热量交换所得来的结果，在此环节，散热器进出口位置处的温度均经历了一个温度上升并逐渐趋于稳态运行的过程。

另外，散热器进出口位置处的温度差也会发生相应的变化，图6所示为其具体的变化情况。图6中的温度差改变体现了散热器本身所具有的冷却能力，在初始阶段，散热器进出口位置的温度差变化曲线存在一定的波动，原因在于节温器的开启程度在不断的变化，且其变化是不均匀的，致使散热器进出口位置处的温度差在初始环节也有一定的不稳定性存在。待AMESim仿真过程逐渐趋于稳定之后，降温情况（亦即散热器进出口位置处的温度差）变为恒定值，大约维持在20℃的水平上。

4  结语

利用AMESim软件进行发动机舱冷却系统数学模型的构建，按照实际情况设置模型参数，并完成了冷却系统外部气温、外部环境气压等运行工况的设定。经仿真试验，得到汽车整车发动机冷却系统在指定工况下温度的变化特性，确定发动机进口与散热器出口位置处冷却液温度变化、散热器进出口位置处冷却液的温度变化以及散热器进出口位置处冷却液温度的温差变化，这些温度特性分析结果可以作为汽车整车发动机冷却系统瞬态热分析的温度边界输入条件，为冷却系统热疲劳分析奠定理论研究基础，同时，借助所搭建的数学模型进行其他工况上的仿真试验，进一步得到冷却系统的其他相关特性，提高开发效率，提供一定的参考依据于冷却系统结构改性以及试验研究预判等工作的开展。

参考文献：

[1]沈玉冉，陈寅辉，王国琳.基于场协同理论的卡车冷却模块散热性能优化[J].轻型汽车技术，2019（6）：25-30.

[2]曾志新，李鑫.汽车发动机冷却系统散热器建模仿真与设计[J].汽车工程师，2019（09）：18-21，58.

[3]谢沅沅.某汽车冷却系统热管理的匹配优化研究[D].中南林业科技大学，2019.

[4]黄智峰.基于商用车发动机舱热管理技术的冷却系统散热性能优化[D].湖南大学，2017.