商用车冷却模块匹配设计方法研究

张露

摘 要：分析車辆的冷却系统流动传热规律，提高冷却系统在车辆部件设计过程中的准确性。文章主要针对商用车的冷却模块作为主要的研究，从流体力学及传热学理论基础上，通过试验分析进行了车辆冷却的传热问题分析和数据测试，希望能够为实际应用提供冷却系统性能的改善指导。关键词：冷却模块;散热器;仿真;性能;离散中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）02-131-03

Abstract： Analyze the flow and heat transfer law of the cooling system of the vehicle and improve the accuracy of the cooling system in the design process of the vehicle components. This is mainly for the cooling module of commercial vehicles as the main research. Based on the theory of fluid mechanics and heat transfer， the heat transfer problem analysis and data test of vehicle cooling are carried out through test analysis， hoping to provide cooling system performance for practical applications. Improvement guidance.Keywords： Cooling module; Heat sink; Simulation; Performance; DiscreteCLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）02-131-03

前言

在车辆冷却技术试验研究及数值分析水平不断发展变化的基础上，在设计车辆冷却系统的过程中应将实际的流动阻力及冷却风量参数作为车辆冷却模块匹配设计的主要考虑因素。本文将主要结合动力舱的冷却气流动力平衡设计理念为支撑，通过数据支撑与试验结合的形式，在计算建立车辆冷却模块匹配模型的过程中应通过设计参数化模块的方式开展。以商用车冷却系统的实际散热要求，展开冷却模块的设计开发研究。

1 车辆散热器的模块性能分析

1.1 散热器的模块一维仿真

对大多数车载的散热器在经验公式、性能试验的前提下通过维仿真软件能搭建散热器的模型，从而借助模型进行短时间内的模块性能预测，最终得出传热的基本参数，一次进行车载冷却模块的设计参考。本文所用的软件是GT-COOL，对散热器进行一维建模及具体数据计算。多数商用车的冷却模块一般是由水散热器和冷器等组合而成，通过软件的优势搭建模块要从模块几何图形上进行模型的仿真计算。散热器的物理模块模型如图1。

在进行模块的仿真计算时，对模型管路的内部相变问题进行了理想化的假设，假设截面流体的状态一致，通道则为一个维度的轴向流动。这种现象可以将其认定为是散热器模块中管内流动符合相关定律，动量及能量方程。借助软件进行快速的流动仿真求解，得出冷热测出口的稳定计算结果。

1.2 散热器的模块三维仿真

1.2.1 物理仿真模型建立

车用散热器翅片结构复杂，数量多。借助三维数值进行散热器的仿真研究，要确保几何结构完整性。常用多孔介质模型来实现中冷器及散热器的翅片简化，针对多孔介质的参数及实际模型的一致性定义。基于散热器的内外侧间壁厚度及通流表面积这一现象，可以通过壁面处理来降低网格数量。

1.2.2 设置定解条件的参数

定解条件主要是指边界条件及初始条件两种。前者主要是以进口边界为主的边界速度设置，流体的设定在入口的温度，速度保持不变。压力出口则设置为出口边界。后者主要是针对一个特定起始时刻对压力、密度、速度及温度等设置，实际设置模块的过程中应围绕着一个特定区域进行计算，设置区域时应设定相应的边界条件。假设是均匀分布的，避免的边界用于进行固体以及流体区域的限定，这里的边界设置为无滑移边界。

1.2.3 控制方程式

在CFD的仿真软件中，主要的模型以spalart-allmaras模型、分离涡模拟以及雷诺应力等模型为主。相关的控制方程式为：

1.2.4 模型仿真结果分析

通过冷气热测的增压空气流动速度的观察，最高的是整个模块中冷热测流的流动。热空气经过出口向散热器的上端分布，流速也通过上传通道大于下端的通道流速。冷却风经冷气时均匀分布，所以在他们经过冷气风进入散热器。冷却风就会出现一个不均匀的温度分布。这种中冷器和水散热器在热流体上的流速匹配所呈现的区别，与商用车冷却模块的匹配设计有紧密关系。

1.3 常见的动力舱侧流动模型

1.3.1 不管是前置还是后置的车辆动力舱

要想从外界自然环境进入动力舱冷却气流必须要经过入口处的进风格栅，并从排风格栅中排出。格栅的作用主要是为了保护冷却系统不受破坏及堵塞，但对于冷却气流来说出现了一定的局限。

1.3.2 分析发动机的热平衡是计算商用车动力舱热平衡的重要前提

在不具备发动机热平衡的数据支持状态下，冷却液的散热量要通过发动机的传热模型散热处理，最终由发动机叙内燃烧的计算参数得出结果。

2 设计车辆冷却模块的匹配的途径

2.1 设计冷却模块匹配的软件

计算及匹配商用车的的热管理理论主要以集成化的系统平台开发为主。所用的软件在功能上包括：当车辆的热管理边界条件明确及结构性能清晰的状态下应计算机输出冷却模块及传热性能。若已知的车辆热管理部分结构性能与边界条件明确可以通过设计对未完成部分的外观尺寸、结构性能等进行变化。软件的计算模块如图2所示：

在其计算模块的性能上，主要包括冷却风的边界条件，发动机的运行状态，格栅、风扇及散热等系统结构。并对安装散热器、风道的部件及冷却气流是否均匀等参数系统之间的影响进行相关性的分析。在计算冷却模块的相关性能以及产品的升级开发中，经过散热器的冷却空气流量大小直接关系到系统的总体平衡计算精度。当车辆内动力舱的空气流动较为稳定均衡时，对其进行的压力平衡计算公式为：p_f=p_c+ p_d+p_g-p_a，其中p_f是指风扇静压、p_c作为压降的冷却模块，p_d是动力舱内风速流动产生的动力，p_g是格栅流动产生的阻力。p_a是车辆进气时的冲击压力。方程式中各个参数的数值既可以在試验测试或者性能手册中查询，也可以通过一维、三维数据的仿真技术进行获取，并可以将各个所得的数据通过经验公式生成曲线后输入。

2.2 冷却模块的匹配设计实证

为确保散热器的模块仿真能够对热管理系统进行较为准确的性能预测，将Fluent仿真、模块的风洞测试、GT-COOL仿真等结果分别通过实施软件系统开展专业性的计算，结合车载的实际功率进行测试，扭矩点的数据做对比分析。通过研究可以得出：在开展风洞测试的过程中，相应模块参数与实际的工作状态最为接近，因此道路测试的结果与实车性能等结果也比较相近。一维和三维的仿真对热量热管理的性能分析可能存在较大的误差，这是因为风洞测试在定量试值上存在仿真误差。系统中散热器散热量与空气压降进行偏差的抵消，所得的预测值与风洞实验的结果相似，在变化上也呈现一直的同样的趋势。由此得出，对一维和三维的模型仿真应用需要结合实际的商用车的冷却模块要求，确保系统设计上的精度和性能。通过对数值理论来提升仿真模型的精度同样也是研究创新热管理系统的重要途径。总而言之，在设计现代化商用车的过程中，通过进行格栅与散热器和舱内模块的匹配设计，使得系统的压降与车辆动力舱的流动阻力之间的差距不断的缩小。以此获取更加准确及理想的压降关系及冷却风量，这对于商用车的冷却模块匹配设计是有很重要的现实意义的。

3 结语

总之，车辆的冷却系统设计，通过数值仿真能够结合模块特点实现不同阶段的虚拟设计。经过数据与理论的结合计算分析，对冷却模块的运行性能进行了验证。格栅、冷却模块等会对冷却系统的传热流动带来较为显著的影响。因此，在设计冷却模块的过程中需要综合所有因素进行分析考虑，实现模块设计效率及精度的提升。

参考文献

[1] 梁钦锋.扩散火焰形态及气化炉内熔渣沉积与传热规律研究[D].华东理工大学.2010年.

[2] 黄钰期.基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化[D].浙江大学.2010年.

[3] 王剑鹏.50型装载机液压系统动态特性与热平衡研究[D].吉林大学.2011年.

[4] 王锡.新型分布式供能系统热力特性研究[D].华北电力大学（北京）.2011年.

[5] 王宁玲.基于数据挖掘的大型燃煤发电机组节能诊断优化理论与方法研究[D].华北电力大学（北京），2011年.