1.前言

在汽車行業(yè)中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱一直是一個(gè)研究的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間小，散熱部件多，幾何復(fù)雜而不規(guī)則。在這樣困難的情況下，合理組織流場(chǎng)，保證氣流充分帶走發(fā)動(dòng)機(jī)及其他散熱部件的熱量，避免在發(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)師提出巨大的挑戰(zhàn)。而對(duì)于燃料電池汽車而言，如果電堆表面溫度過(guò)高，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全。

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度過(guò)高，氣流流動(dòng)和散熱不良會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能，而這對(duì)于燃料電池組的性能和安全更是至關(guān)重要的。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件能力的飛躍，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)被越來(lái)越多的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的設(shè)計(jì)和研究中[1][2][3]?；贑FD的數(shù)值模擬全面而詳細(xì)的冷卻氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)和換熱過(guò)程，得到流速、流態(tài)、換熱量和各表面溫度等詳盡參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供的有力參考和驗(yàn)證。

上海汽車股份有限公司技術(shù)中心在新車研發(fā)過(guò)程中，大量使用CFD模擬計(jì)算，為設(shè)計(jì)提供有力的支持。針對(duì)燃料電池轎車的開(kāi)發(fā)，我技術(shù)中心采用新的大型CFD軟件STAR-CCM+進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙的全尺寸3D模擬計(jì)算，研究其流動(dòng)與散熱情況[4]。

本次項(xiàng)目的燃料電池轎車，其發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電堆的表面溫度高達(dá)80℃，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱提出很高的要求。在計(jì)算中，我們采用了最惡劣的工況，即環(huán)境溫度為43℃，這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流動(dòng)散熱情況也更加復(fù)雜，增加了計(jì)算的難度。計(jì)算中，除了考慮燃料電池組(發(fā)動(dòng)機(jī))外，我們還考慮了一個(gè)高溫散熱器、一個(gè)低溫散熱器、一個(gè)空調(diào)冷凝器和一個(gè)吸風(fēng)風(fēng)扇，這樣對(duì)整個(gè)前艙的流動(dòng)與散熱CFD仿真分析，更具有實(shí)際的意義。

本次項(xiàng)目中的難點(diǎn)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)模型;計(jì)算時(shí)邊界條件的獲得;龐大的計(jì)算網(wǎng)格;極端邊界條件對(duì)求解器收斂性的挑戰(zhàn);以及復(fù)雜的換熱與流動(dòng)的耦合計(jì)算等。在上海汽車股份有限公司技術(shù)中心和STAR-CD雙方工程師的共同努力下，我們最終解決這這些難題，在較短的時(shí)間內(nèi)完成全部模擬計(jì)算，取得了滿意的結(jié)果。這些結(jié)果對(duì)研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)換熱情況，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)起到了很好的作用。這個(gè)項(xiàng)目的完成也再次顯示了大型CFD軟件在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)中的實(shí)用價(jià)值。

2.計(jì)算項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目是采用CFD手段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前艙進(jìn)行散熱性能的分析計(jì)算，主要包括以下兩個(gè)方面：

第一，通過(guò)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)前艙內(nèi)部的溫度分布和各主要部件的表面溫度值，以此作為考察內(nèi)部部件布置的依據(jù);找出艙內(nèi)溫度極高點(diǎn)的位置，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

第二，通過(guò)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)前艙內(nèi)部的壓力分布和速度分布情況，以此來(lái)考察內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特征，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件的布置情況給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。

下圖展示了計(jì)算域的情況：

圖1發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部部件

圖2數(shù)值模擬計(jì)算域

3.計(jì)算模型與數(shù)值方法

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的“N-S方程組”的迭代求解方式，給定初場(chǎng)，然后通過(guò)聯(lián)立求解每個(gè)網(wǎng)格單元上的N-S方程組，不斷迭代，直到計(jì)算達(dá)到收斂。對(duì)于壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)之間的偶合關(guān)系采用SIMPLE算法，此算法早已得到計(jì)算業(yè)界的廣泛認(rèn)可。在計(jì)算中考慮N-S方程組中的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程共三個(gè)方程組，分別如下[5]：

計(jì)算中使用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-e兩方程湍流模型，壁面處采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。在計(jì)算中考慮的輻射影響，輻射模型為DiscreteOrdinates模型。

計(jì)算中，對(duì)Pressure、Momentum、Turbulentfactors、Energy等項(xiàng)均使用兩階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算精度。

4.風(fēng)扇模型和換熱器模型

風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的動(dòng)力源之一，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的流態(tài)和換熱效果。所以，風(fēng)扇模擬的精度對(duì)整個(gè)計(jì)算的精度有重要的影響。在計(jì)算中，我們采用了STAR-CCM+的新的風(fēng)扇模型，既避免了對(duì)風(fēng)扇的直接模擬，又保證了計(jì)算達(dá)到工程可以接受的精度。

我們以風(fēng)扇的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，指定通過(guò)風(fēng)扇前后的壓力變化與通過(guò)風(fēng)扇的速度之間的函數(shù)關(guān)系，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。

在計(jì)算中，高溫散熱器、低溫散熱器和空調(diào)冷凝器均采用了多孔介質(zhì)的計(jì)算模型。在多孔介質(zhì)模型中以均勻化的壓力變化來(lái)代替板翅式換熱器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體積，從而簡(jiǎn)化模型。其空氣流動(dòng)阻力同空氣流速的變化關(guān)系由試驗(yàn)得到的曲線給定。

5.計(jì)算網(wǎng)格

STAR-CCM+具有強(qiáng)大的網(wǎng)格能力，其蜂窩狀網(wǎng)格更是它的特色。幾何文件(.stl等格式)可以直接輸入Starccm+中，輸入的幾何文件都自動(dòng)轉(zhuǎn)化為很多小面來(lái)構(gòu)成幾何表面。使用具有相適應(yīng)特征的網(wǎng)格有助于顯著提高解題的精度、計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性。Starccm+中可以生成四面體或多面體網(wǎng)格，且可以生成邊界層網(wǎng)格。在此次分析中采用了四面體和邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為3,507,025，節(jié)點(diǎn)數(shù)為707,294。

6.邊界條件和收斂情況

本次計(jì)算中共采用了三種流動(dòng)邊界條件(velocity-inlet;pressure-outlet;wall)、三種換熱邊界條件(heat-flux;temperature;convection)、多孔介質(zhì)邊界條件(Porousmedia)、體積源項(xiàng)(fluidsource)邊界條件，風(fēng)扇模型(fan-model)邊界條件。

計(jì)算中進(jìn)風(fēng)口處，其邊界條件設(shè)定為velocity-inlet，速度進(jìn)口邊界條件，以車速70km/h為入口風(fēng)速，假定環(huán)境溫度為43攝氏度，為最惡劣工況。

壓力出口邊界條件(pressureoutlet)，壓力出口邊界條件代表用戶只需指出該處的壓力值，以及如果在該位置有回流，其回流的流體溫度是多少即可。本次計(jì)算中，壓力出口邊界上的壓力值為一個(gè)大氣壓。

高溫散熱器、低溫散熱器和空調(diào)冷凝器均采用了多孔介質(zhì)的計(jì)算模型。

風(fēng)扇采用風(fēng)扇模型，指定通過(guò)風(fēng)扇前后的壓力變化與通過(guò)風(fēng)扇的速度之間的函數(shù)關(guān)系。

計(jì)算在一臺(tái)hpxw9400工作站(4核Xeon處理器，8GB內(nèi)存)上完成，約運(yùn)行12小時(shí)。求解器強(qiáng)健，收斂穩(wěn)定、快速。

7.計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)以上分析我們看到，計(jì)算不但使我們獲得一些宏觀的數(shù)據(jù)，也很好的顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)、換熱的細(xì)節(jié)，為我們?cè)敿?xì)研究艙內(nèi)情況，對(duì)一些部件進(jìn)行局部的調(diào)整，提供了直觀而明確的指導(dǎo)。這對(duì)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置，提高冷卻系統(tǒng)效能具有相當(dāng)實(shí)際的指導(dǎo)意義。

8.結(jié)論

通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)前艙散熱性能的計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論和建議：

通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)換熱現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確的描述，對(duì)尋找發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性以及優(yōu)化其中的流動(dòng)換熱效果具有指導(dǎo)性意義。

系統(tǒng)散熱性能基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但在散熱器的局部位置存在流動(dòng)的死區(qū)，這主要是由進(jìn)風(fēng)格柵導(dǎo)風(fēng)板形狀及風(fēng)扇形狀引起，可以通過(guò)修正導(dǎo)風(fēng)板形狀來(lái)解決。

在環(huán)境溫度43攝氏度下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙電堆周圍的溫度場(chǎng)溫度分布基本在60~70攝氏度之間，遠(yuǎn)離熱源的區(qū)域溫度分布在40~50攝氏度之間，散熱效果比較合理。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩在突起部分的兩側(cè)，溫度值偏高，應(yīng)引起注意。