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汽车与公路设备 |
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AMESim发动机舱传热解决方案 |
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newmaker |
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引言：伴随车辆功能的增加，子系统越来越多也更加复杂，而多系统的并存必然存在着相互协调的问题。需要协调控制各子系统相适应于车辆大系统以及外部环境变化，根据实时工况协调各机构最佳匹配，AMESim针对车辆的复杂系统提供了一系列完整、有效的解决方案。
AMESim系统仿真平台凭借技术上的独特优势，在世界范围内得到整车以及车辆零配件供应商的青睐。作为通用的多学科领域复杂系统建模与仿真平台，AMESim包含液压、机械、信号控制、两相流等一系列专业应用库，而众多专业应用库是基于大量来自不同物理领域的、经过验证的元件模型集合。在AMESim平台上，工程师通过交互的图形界面将机械、液压或电控等多领域系统简化成由标准的单元体组成的简化力学和控制系统数学模型来描述系统工作过程和结果。对于复杂系统来说，AMESim帮助工程技术人员实现在统一的平台上建模，仿真及分析系统的多学科耦合特性。
在空间相对狭小的车用发动机舱内，错综布置着发动机、散热器、空调冷凝器、机油冷却器、中冷器及EGR冷却器等。车内各个子系统在整车热环境内相互影响、相互干涉，其流动与传热过程非常复杂，直接影响着燃油消耗率、排放性能、安全性能和舒适性能等重要指标。因此，在现今的发动机设计过程中，单独考虑冷却、润滑及空调等单个子系统已不具备实际意义，必须将车内各个热系统进行集中考虑，在一个统一的平台上进行综合的系统集成匹配与优化，才能满足最终的整车设计要求。AMESim为工程师提供了一个先进的多领域仿真平台，可以进行包括冷却系统、润滑系统、空调系统和进排气系统等多个热系统在内的集成仿真分析，并提供了HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）库用以解决发动机舱内的复杂流动与传热。
开发HEAT库的目的是为专门解决诸如汽车发动机舱等狭小空间内的流动与传热问题，并且可以辅助工程师在产品开发的不同阶段完成相应的任务，使发动机舱的设计、空间布置等工作一次成功。利用HEAT库，工程师可以研究发动机舱内不同空间布置关系间的影响，并在整车测试循环内精确评估各个子系统的热状态，确保车内各系统均保持在正常的范围内运行。
除AMESim提供的标准冷却系统、润滑系统及空调系统等系统建模和仿真功能外，HEAT库提供了发动机舱3D设计与分析能力，如图1所示。通过HEAT库，工程师可以对发动机舱的三维空间进行设定，并根据各个部件间的相对位置、流道结构自动地对其相互影响进行计算，充分考虑发动机舱内流动与传热的不均衡性影响。
图1 HEAT库3D设计与分析能力
散热器、机油冷却器及空调冷凝器等部件之间的相对位置和几何尺寸是影响发动机舱内部流动与传热的首要因素，散热器间的重叠使冷却风流道产生了很大的不均衡性，各处的流场与温度场均发生很大的变换。
如图2（a）所示，假设部件1为空调冷凝器，部件2为机油冷却器，部件3为散热器。三个部件相互平行的布置于发动机舱前端，迎风为X轴方向，根据三个部件的位置关系及大小，冷却风流道可以划分为如图2（b）所示的四个区域，每个区域内的流动与传热状态均不相同，即使在同一区域内，受散热器内部流道形式的不同，其表面热分布也非常的不均衡。HEAT库为工程师提供了一个完备并且简单易用的工具，充分考虑这些因素的影响，使发动机舱的流动与传热分析、结构优化设计变得简单可行，最终结果能够满足整体设计要求。
图2 发动机舱位置关系
在AMESim部件参数表中，可以很容易地根据发动机舱实际布置关系，设定好各个部件的空间坐标及几何尺寸，包括部件的空间坐标X、Y、Z以及尺寸参数长、宽及厚度等，如图3所示。
图3 AMESim空间坐标设定
AMESim可以自动地根据各个部件的位置关系及几何尺寸，完成流道的网格划分。如图4所示，AMESim自动完成了网格的划分，在不同的网格区域考虑流动与传热的不均衡性。
图4 自动网格划分
除空间位置外，散热器内部的流动形式也会产生流动与传热的不均衡性，如散热器内部的流道结构I型、U型及蛇型等流道均会对换热结果产生影响，AMESim对此均给予了充分考虑。图5所示为U型流道的计算结果，可见沿流动方向，冷却液的温度逐渐降低，但散热器表面的温度并不均衡，入口处的温度较高，而在同一侧的出口处的温度则较低。
图5 U型流道温度分布
在AMESim中可以很容易地对流动结构进行设定，包括流道数量、入口位置及每个流道的管路数量等，如图6所示。
图6 散热器内部流道的设定
除散热器之间的相互流动与传热不均衡外，发动机舱的冷却风入口处边界往往也存在较大的不均衡性。发动机舱前端通常设置有进风格栅，高速运行的汽车前端为湍流流动，经过格栅的扰动，其流动通常更加不均衡，如图7所示的CFD计算结果。
图7 发动机舱迎风边界CFD计算结果
在AMESim中可以以数据表格的形式设定迎风边界条件，在边界网格内输入该点的边界值，网格与网格之间设定不同的数值，这样可以真实地设定发动机舱流动的边界条件。图8为轴对称双风扇所产生的速度边界场。在AMESim中一共有两种边界条件可供用户设定：速度边界和压力边界。速度边界适合诸如汽车发动机舱等结构紧凑的布置形式，此时各处的速度场较易确定；压力边界适合布置距离较大的形式，如图9所示。
图8 速度边界模式
图9 压力边界模式
图10为应用AMESim的HEAT库进行仿真计算后的结果，可见散热器表面温度分布的不均衡性，在区域4（三个散热器重合处）温度最高，区域2、3（两个散热器重合处）温度较低，而区域1处温度最低，即使是在区域1，由于散热器内流动形式的不同，其温度也并不完全一致。
图10 算例结果
综上所述，车用发动机舱布置十分紧密，众多部件间流动与传热相互耦合、相互影响，各部件的空间位置、几何尺寸及内部流道形式均对结果产生非常大的影响。AMESim的HEAT库为工程师提供了一个完备并且简单易用的工具，充分考虑这些因素的影响，使发动机舱的流动与传热分析、结构优化设计变得简单可行，最终结果能够满足整体设计要求。(end)
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(3/7/2008) |
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