CN113239466A - 一种发动机舱热管理仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机舱热管理仿真方法，包括步骤：构建整车模型和冷却风栅格模型；构建风道系统模型，对风道系统模型进行流场仿真，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数；简化整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面，构建整车计算域，对简化后的整车模型组件和计算域分别进行面网格划分和体网格划分；根据计算域网格和冷却风栅格的阻力特性参数，对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算；然后进行热态计算，并根据热态计算的结果分析对车身结构和发动机舱内布置进行优化。本发明提供的仿真方法效率高，可实施性强，用于车辆发动机舱热管理的研究，尤其适用于结构复杂及冷却风进、出口栅格为多孔板或网状结构的车辆。
Description
技术领域
本发明属于车辆冷却技术领域，具体涉及一种发动机舱热管理仿真方法。
背景技术
随着市场竞争越来越激烈，对车辆的要求除了可靠、耐用以外，对车辆的环境适用性、经济性、舒适性、维修性等都提出了越来越高的要求。发动机舱热管理直接影响到发动机和机舱内零部件的工作性能，进而影响到整车动力性、可靠性、排放及燃油经济性等，因此，近些年对车辆的热管理的要求越来越高。尤其在高温地区，车辆作业过程中经常出现过热问题，为了降低事故率，散热系统安全裕度一般设计的都很大，造成设计成本、制造成本、使用维修成本都很大。
通过三维仿真方法对发动机机舱进行热管理研究相比于采用试验方法更经济、周期更短，灵活性更大，并且可以获得流场及温度场的详细分布，研究更深入。但因为车身及发动机舱内结构复杂，做机舱热管理分析时从模型简化到网格划分都需要花费很多的时间和精力。
冷却风进、出口栅格作为发动机舱冷却风的进口和出口，其开孔位置、开孔尺寸、开孔形状及开孔的孔隙率等参数对发动机舱内冷却风的分布、系统阻力大小有直接的影响，所以在做机舱热管理分析时一般都按实际结构模型进行处理，但因车辆需要多处开设冷却风进、出口栅格，且冷却风进、出口栅格一般为结构复杂的多孔板或网状结构，在模型处理和网格划分时和车身连接需要大量的手动工作，并且冷却风进、出口栅格上开孔尺寸很小，在网格划分时如果网格过渡尺寸控制不好，容易造成网格质量很差，导致计算精度差甚至计算不收敛。当不同的车辆采用相同结构的冷却风栅格，只是尺寸不同时，都要重新简化几何和网格划分，工作重复。另外，现有仿真方法中不考虑冷却风栅格的阻力及冷却风栅格的结构形式，会造成系统阻力变化，影响冷却风量，造成机舱内流场及温度场计算精度降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种发动机舱热管理仿真方法，效率高，可实施性强，用于车辆发动机舱热管理的研究，尤其适用于结构复杂及冷却风进、出口栅格为多孔板或网状结构的车辆。
本发明提供了如下的技术方案：
一种发动机舱热管理仿真方法，包括以下步骤：
构建整车模型和冷却风栅格模型；
构建风道模型，并与所述冷却风栅格模型装配，形成风道系统模型，对风道系统模型进行流场仿真，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数；
简化所述整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面，构建整车计算域，并对简化后的整车模型的组件进行面网格划分，对计算域进行体网格划分生成计算域网格；
根据所述计算域网格和所述冷却风栅格的阻力特性参数，对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算；
在冷态计算结果的基础上进行热态计算，并根据热态计算的结果分析对车身结构和发动机舱内布置进行优化。
进一步的，冷却风栅格模型包括冷却风进、出口栅格模型，且所述冷却风进、出口栅格模型要与实际的冷却风进、出口栅格完全一致。
进一步的，构建的冷却风栅格模型需进行裁剪，裁剪时要保留模型的完整结构特征。
进一步的，构建风道模型时，风道内截面和冷却风栅格的尺寸相同；风道模型与冷却风栅格模型装配时应保证风道模型前后有足够长的距离使流场发展充分。
进一步的，获得冷却风栅格的阻力特性参数的具体方法包括：对风道系统模型进行流场仿真，获得不同风速下冷却风栅格的阻力特性数据；通过多孔介质区域压降规律方程，结合所述冷却风栅格的阻力特性数据，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数。
进一步的，进行流场仿真的风道系统模型要经过实际风道试验标定和修正，保证仿真精度，具体方法包括：搭建实际的风道系统，进行试验验证，若误差大于设定的阈值则调整风道系统模型重新计算，直到流场仿真结果和试验结果误差在可接受的阈值范围内。
进一步的，简化整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面时，面的形状、尺寸要和实际的冷却风栅格完全一致，构建整车计算域并完成整车和计算域的装配。
进一步的，采用面网格划分软件对简化后的整车模型进行组件划分，划分时冷却风栅格简化成的内部面要划分成独立的面组，然后对每个组件进行面网格划分，优选的面网格划分软件为hypermesh；采用体网格划分软件对计算域进行体网格划分生成计算域网格，优选的体网格划分软件为Fluent meshing。
进一步的，启动Fluent软件，导入所述计算域网格，在Fluent软件中进行边界条件、计算模型的设置，将所述冷却风栅格的阻力特性参数作为冷却风栅格简化成的内部面的边界参数输入，然后对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算。
进一步的，在冷态计算结果的基础上打开换热器模型，选择热传递模型，设置模型参数进行热态计算至收敛，其中优选的散热器模型为Ungrouped Macro Model，优选的热传递模型为nut-model；通过后处理软件对热态计算结果进行分析，根据分析结果对车身结构和发动机舱内布置进行优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首先通过仿真和试验独立研究冷却风栅格的阻力特性，在发动机舱热管理分析过程中将冷却风栅格简化成内部面，将其阻力特性参数作为边界条件输入，该方法不仅可以减少整机模型简化过程及网格划分过程的工作量，还可以提高网格质量，增强计算的稳定性，并且可以将冷却风栅格的阻力特性推广至使用相同冷却风栅格的机型，从而批量减少工作量。
附图说明
图1是本发明的仿真方法流程图；
图2是风道模型与冷却风栅格模型的装配图，图中标记为：1、冷却风栅格，2、风道，3、进风口，4、出风口；
图3是实施例中散热器芯体迎风面温度云图分布与实验结果对比图，图中（a）为仿真结果，（b）为实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种发动机舱热管理仿真方法，包括以下步骤：
第一步：构建整车模型和冷却风栅格模型，裁剪部分模型作为研究对象，裁剪时要保留模型的完整结构特征。其中，冷却风栅格模型包括冷却风进、出口栅格模型，且所述冷却风进、出口栅格模型要与实际的冷却风进、出口栅格完全一致。
第二步：构建风道模型，风道内截面和冷却风栅格的尺寸相同，将风道模型与第一步中的冷却风栅格模型进行装配，形成风道系统模型，装配时应保证风道模型前后有足够长的距离使流场发展充分（如图2所示）。
第三步：对第二步中的风道系统模型进行流场仿真，获得不同风速下冷却风栅格的阻力特性数据。
第四步：对进行流场仿真的风道系统模型进行实际风道试验标定和修正，保证仿真精度，具体方法包括：搭建实际的风道系统，进行试验验证，若误差大于设定的阈值则调整风道系统模型重新计算，直到流场仿真结果和试验结果误差在可接受的阈值范围内。
第五步：通过多孔介质区域压降规律方程，结合第四步获得的冷却风栅格的阻力特性数据，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数。
第六步：简化第一步中的整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面，面的形状、尺寸要和实际的冷却风栅格完全一致，构建整车计算域并完成整车和计算域的装配。
第七步：采用面网格划分软件对第六步中简化后的整车模型进行组件划分，划分时冷却风栅格简化成的内部面要划分成独立的面组，然后对每个组件进行面网格划分，优选的面网格划分软件为hypermesh；采用体网格划分软件对计算域进行体网格划分生成计算域网格，优选的体网格划分软件为Fluent meshing。
第八步： 启动Fluent软件，导入第七步中获得的计算域网格，在Fluent软件中进行边界条件、计算模型的设置，将第五步获得的冷却风栅格的阻力特性参数作为冷却风栅格简化成的内部面的边界参数输入。
第九步：对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算。
第十步：在冷态计算结果的基础上打开换热器模型，选择热传递模型，设置模型参数进行热态计算至收敛，其中优选的散热器模型为Ungrouped Macro Model，优选的热传递模型为nut-model。
第十一步：通过后处理软件对热态计算结果进行分析，根据分析结果对车身结构和发动机舱内布置进行优化。
本实施例选取一台中吨位挖掘机针对热平衡测试实验工况进行仿真分析，图3（a）为采用本实施例仿真方法获得的冷却模块迎风面温度分布云图，图3（b）为该吨位挖掘机在做热平衡测试实验过程中采用红外测温仪拍摄的冷却模块迎风面芯体表面温度。通过对比可以看出冷却模块迎风面温度分布趋势一致，图中CAC左上角为中冷器热侧进口，温度较高，在22.4℃环境温度下，仿真获得的CAC左上角芯体表面温度为95.1℃，实验测试温度为93.4℃，误差仅为1.8%。
本发明通过仿真和试验独立研究冷却风栅格的阻力特性，在发动机舱热管理分析过程中将冷却风栅格简化成内部面，将其阻力特性参数作为边界条件输入，该方法不仅可以减少整机模型简化过程及网格划分过程的工作量，还可以提高网格质量，增强计算的稳定性，并且可以将冷却风栅格的阻力特性推广至使用相同冷却风栅格的机型，从而批量减少工作量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建整车模型和冷却风栅格模型；
构建风道模型，并与所述冷却风栅格模型装配，形成风道系统模型，对风道系统模型进行流场仿真，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数；
简化所述整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面，构建整车计算域，并对简化后的整车模型的组件进行面网格划分，对计算域进行体网格划分生成计算域网格；
根据所述计算域网格和所述冷却风栅格的阻力特性参数，对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算；
在冷态计算结果的基础上进行热态计算，并根据热态计算的结果分析对车身结构和发动机舱内布置进行优化。
2.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，冷却风栅格模型包括冷却风进、出口栅格模型，且所述冷却风进、出口栅格模型要与实际的冷却风进、出口栅格完全一致。
3.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，构建的冷却风栅格模型需进行裁剪，裁剪时要保留模型的完整结构特征。
4.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，构建风道模型时，风道内截面和冷却风栅格的尺寸相同；风道模型与冷却风栅格模型装配时应保证风道模型前后有足够长的距离使流场发展充分。
5.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，获得冷却风栅格的阻力特性参数的具体方法包括：对风道系统模型进行流场仿真，获得不同风速下冷却风栅格的阻力特性数据；通过多孔介质区域压降规律方程，结合所述冷却风栅格的阻力特性数据，计算获得冷却风栅格的阻力特性参数。
6.根据权利要求5所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，进行流场仿真的风道系统模型要经过实际风道试验标定和修正，具体方法包括：搭建实际的风道系统，进行试验验证，若误差大于设定的阈值则调整风道系统模型重新计算，直到流场仿真结果和试验结果误差在可接受的阈值范围内。
7.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，简化整车模型，将所有的冷却风栅格简化成内部面时，面的形状、尺寸要和实际的冷却风栅格完全一致，构建整车计算域并完成整车和计算域的装配。
8.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，采用面网格划分软件对简化后的整车模型进行组件划分，划分时冷却风栅格简化成的内部面要划分成独立的面组，然后对每个组件进行面网格划分；采用体网格划分软件对计算域进行体网格划分生成计算域网格。
9.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，启动Fluent软件，导入所述计算域网格，在Fluent软件中进行边界条件、计算模型的设置，将所述冷却风栅格的阻力特性参数作为冷却风栅格简化成的内部面的边界参数输入，然后对整车外流场及发动机机舱内流场进行冷态计算。
10.根据权利要求1所述的发动机舱热管理仿真方法，其特征在于，在冷态计算结果的基础上打开换热器模型，选择热传递模型，设置模型参数进行热态计算至收敛；通过后处理软件对热态计算结果进行分析，根据分析结果对车身结构和发动机舱内布置进行优化。
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