1、第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）商用车机舱热管理组合因素影响研究胡兴军，罗雨霏，金昕，郭鹏，耿亚林，兰巍，余天明（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022）摘 要：针对商用车低速爬坡工况，采用三维计算流体力学仿真分析对某厂商商用车发动机舱热管理进行研究，重点关注其影响冷却系统散热的机理.选取散热器通风量与出口温度作为试验目标，引入正交试验设计与Box-Behnken试验设计，根
2、据响应面回归函数的建立，分析冷凝器与风扇的移动距离与护风罩尺寸的交互效应，并据此进行优化设计.提出一套适用于发动机舱热管理的试验设计与优化流程，为发动机舱内部冷却系统布置提供参考.研究结果表明：冷却系统在商用车机舱内部的布置影响内流场与温度场的分布情况，进而影响舱内散热特性.经过优化设计后，该商用车散热器通风量增加了 5.26%，同时出口温度降低了3.44%，机舱散热效率得到显著提高.关键词：热管理；商用车；响应面设计；数值计算中图分类号：U461.1 文献标志码：AResearch on Influence of Combined Factors on Thermal Management
3、in Commercial Vehicle CabinHU Xingjun，LUO Yufei，JIN Xin，GUO Peng，GENG Yalin，LAN Wei，YU Tianming（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130022，China）Abstract：Aiming at the low-speed climbing condition of a commercial vehicle，a three-dimensional hydrodynam
4、ics simulation method is used to study heat management in some commercial vehicle cabins.The mechanism of the heat dissipation influencing the coolant system is focused on.The ventilation rate of the radiator and the outlet temperature of the radiator are taken as the experimental targets.By introdu
5、cing the orthogonal design and Box-Behnken experiment design method，combined with the establishment and analysis of the regression equation，the relationship between the moving distance of the condenser，the moving distance of the cooling fan，and the extension of the windshield are constructed and opt
6、imized.A set of experimental design and optimization processes suitable for engine room thermal management is put forward，which provides a reference for the layout of heat dissipation components in the engine room.The results show that the change in the position of the coolant systems in the commerc
7、ial vehicle cabin affects the airflow state and temperature field，thus affecting the heat dissipation performance of the engine room.After optimization，the ventilation capacity of the commercial vehicle radiator is improved by 5.26%，the outlet temperature of the radiator is reduced by 3.44%，and the
8、heat dissipation 收稿日期：2022-04-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875238），National Natural Science Foundation of China（51875238）作者简介：胡兴军（1976），男，重庆人，吉林大学教授，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）04-0038-10DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023152第 4 期胡兴军等：商用车机舱热管理组合因素影响研究efficiency of the engine room is significantly improved
9、.Key words：thermal management；commercial vehicles；response surface fitting；numerical simulation随着货物运输要求的日益提高，商用车设计时需满足大载荷、大功率、高效率的要求，导致发动机舱内部结构紧凑且复杂，影响其散热性能1-2.因此，为商用车设计良好的冷却系统十分重要.1976年，Olson3通过试验指出车辆发动机散热器冷却性能与机舱内部气流分布密切相关.由于发动机舱结构复杂，试验无法精确获得某些散热数据4，因此，数值计算在该领域逐渐受到重视.1985年，Willoughby等5将有限差分法应用于 3D
10、流体仿真分析，重点关注车辆前沿的湍流结构.Nobel等6-7，Chacko等8，Dube等9及张坤 10陆续对商用车机舱内部流场和冷却系统的散热特性进行了计算流体仿真分析，并提出改善内部气流流动状态的措施.随后，耦合仿真进入学者视野.GT-POWER、Flowmaster和Fluent软件的耦合使机舱热管理仿真计算结果更准确11.一维与三维仿真相结合成为提升机舱热管理结果准确性的热门方法12.Kumar等13提出将冷却水的进出温差作为评价商用车冷却性能的指标，并在一维仿真中将流体计算参数引入仿真策略，大大提升了计算效率与准确性.文献 14-15 也应用该策略提出适用于不同车辆的描述系统动力学、
11、冷却效率与发动机性能的系统级策略，侧面印证了耦合方法的适应性.Kusano等16将卡尔曼滤波引入机舱热管理，以评估挖掘机机舱内流场.传统商用车热管理开发多依赖试验获得冷却性能数据，这会导致较高的经济成本与较长的试验周期.同时，单一冷却组件试验数据大多来自单一组件厂商，冷却系统作为一个整体，单一冷却组件的散热参数难以描述系统的整体性能状态，且由于商用车机舱内部结构复杂，布置紧凑，冷却系统整体散热性能难以通过试验评估.国内外针对商用车机舱热管理的仿真分析，多着眼于单一影响，缺少对影响因素间交互效应的综合考量.针对商用车在低速爬坡工况下散热性能不足的问题，对发动机舱内部进行流体计算仿真，探究机舱内流
12、场及温度场以及一些散热组件位置对散热性能的影响，采用响应面函数对冷却系统布置进行优化，得出最佳因素水平组合.1 整车热平衡试验本文采用道路实验进行整车热平衡试验，来获得商用车工作时冷却系统的性能状况，从而判断发动机是否在适宜温度下正常运转.为了模拟下坡工况，测试条件选择发动机具有最大扭矩的行驶工况.此时，发动机平均转速为1 400 r/min，车辆行进速度为 30 km/h.测量的目标参数为冷却系统进出水温度，以及试验环境工况温度.热平衡试验方法参考汽车热平衡能力道路试验方法（GB/T 125422020）17.采用K型热电偶作为温度传感器，Fluke数据采集器作为数采设备.传感器位于散热器进
13、出水管处，分别采集进出水温度，如图1所示.数据采集结果用于边界条件构建.试验目标选择 3个方面的数据，即散热器出口温度、入口温度和环境温度，每5 s采集一次数据，达到如下其中一个条件即停止试验：1）在8 min内冷却液温度变化在1 以内；2）冷却液温度高于最高许用温度，进行2次试验且2次试验间隔1 h，充分冷却并稳定系统.2次试验的温度特性曲线如图2所示.图2 温度特性曲线Fig.2 Temperature characteristic curve（a）温度传感器（b）数据采集器（c）安装位置图1 试验设备及安装Fig.1 Test equipment and installation39湖南
14、大学学报（自然科学版）2023 年2 模型与求解设置2.1 几何模型及其简化采用某厂商重型卡车三维模型，为提高计算效率，在保留商用车机舱内部原始特征以及各冷却组件的原则下进行简化处理.图3为整车、冷却系统与发动机简化模型.2.2 网格策略计算域尺寸如图4所示.图4中L表示车长，W表示车宽，H 表示车高.整体车辆仿真计算域尺寸为11L9W7H（长宽高），此时阻塞比为 1.6%，满足美国汽车工程协会推荐的阻塞比小于5%的要求18.本文模型结构较为复杂，采用贴体性较好的三角形面网格，散热组件、进出水管道以及进气格栅等区域的网格较为精细.最终划分完成的面网格示意图如图5所示.采用切割体网格，对车身附近
15、、机舱与冷却系统进行局部加密.为了模拟壁面边界层效应，在固体表面采用棱柱层网格.最终网格量为1 386万.商用车体网格及加密区示意图如图6所示.2.3 求解参数及工况设置采用STAR-CCM+进行商用车三维流体仿真计算.选用稳态湍流计算模型，物理模型采用三维定常不可压缩模型，控制方程选取RANS方程，湍流模型采用Realizable k模型19.计算域为速度进口，速度为30 km/h，出口采用压力出口条件，两侧及上部壁面采用对称面设置，即侧面法向梯度为0，选择移动地板，地板移动速度与车速保持一致，模拟实际情况下车身与地面的相对运动.本文三维仿真模拟的是环境温度为 40 低速爬坡条件下冷却系统的
16、散热情况，研究时的工况点采用汽车处于最大扭矩时的相关参数.2.4 边界条件设置在汽车低速爬坡的工况下车身内外流线交互错杂，边界条件选取时需考虑耦合效应，分别对内流场与外流场采取不同的边界条件设置.首先是外部边界条件设置.外部环境为车辆相对空气做匀速直线运动，速度为30 km/h，外部温度为40.其次进行内部边界条件设置.发动机壁面设置为相对应的热边界条件.冷却风扇的模拟采用了MRF方法20-21.为提高计算效率，采用多孔介质模型处理冷凝器、中冷器和散热器芯部，该模型在动量方程的基础上增加了由黏性损失和惯性损失构成的源项，具体为22-24：pLh=-(Pi|v|+Pv)v（1）式中：Pi、Pv分别为多孔介质模型的惯性和黏性阻力系数，由试验数据拟合得到；v为流体的速度；Lh为换热器芯部厚度.使用最小二乘法对流经散热组件的气流速度及压降进行拟合，可以确定多孔介质模型中黏性阻力系数和惯性阻力系数，如表1所示.图4 计算域尺寸Fig.4 Dimension of the calculation domain（a）整车（b）冷却系统与发动机图3 简化模型Fig.3 Simplified model
