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车辆热管理系统的建模与仿真 |
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作者：世冠工程公司 |
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车辆热管理系统广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，现阶段主要研究对象通常以冷却系统为核心，综合考虑润滑系统油冷器、空调系统冷凝器及中冷器等与冷却系统之间的相互影响，而发动机冷启动特性研究和发动机舱流动传热分析为车辆热管理研究的首要问题。
典型的车辆冷却系统（见图1），包括：冷却水泵、发动机、油冷器、节温器、散热器、暖风与膨胀水箱等部件。
图1 典型车辆冷却系统结构
通过对系统进行建模仿真计算，必须考虑以下物理现象：
1.系统各支路流量、压力与温度分布；
2.节温器的工作特征；
3.系统动态过程温度波动；
4.系统各处的换热情况。
车辆冷却系统
AMESim针对车辆冷却系统提供了热库、热流体库及冷却系统库等专业库，涵盖了冷却系统建模所需要的全部部件，通过鼠标拖放操作就可以快速建立起冷却系统的仿真模型。
图2 AMESim车辆冷却系统模型
图2为应用AMESim建立起的车辆冷却系统模型，该模型需要输入的参数如下：
1.实际系统的管网结构；
2.采用冷却液的种类；
3.各段冷却水管的几何尺寸；
4.水泵特性曲线；
5.系统各部件的流阻特性（散热器、油冷器和水套等）；
6.散热器性能MAP图。
通过设定系统外部边界条件（大气压力、大气温度等）及系统初始条件，给定仿真周期，AMESim能够自动选择最优的积分算法与步长，快速完成系统瞬态计算。AMESim车辆冷却系统典型仿真结果见图3。
图3 AMESim车辆冷却系统仿真结果
由图3可见，通过AMESim建模仿真可以计算系统各支路流量与流动阻力，对系统整体性能进行评估，选择关键部件的尺寸并设计控制策略等。基于AMESim冷却系统解决方案，工程师可以研究新的部件、新型结构对系统效率和性能的影响，包括：
1.分析采用新型电子水泵和电子节温器的影响；
2.分析系统最高工作温度；
3.分析新的部件、新的布置结构以及管路尺寸的影响；
4.分析更高的水箱压力对汽蚀的影响。
发动机热模型
采用上述冷却系统模型并不能精确计算发动机的冷启过程，因为上述模型并没有考虑机体内存储的能量与机体内部的换热过程，因此，需要建立更加详细的发动机机体热模型，充分考虑机体内的换热过程。首先，考虑一个典型的发动机机体结构，为了建立发动机机体离散热模型，必须考虑热流体属性（润滑油、冷却液、空气和燃烧废气）、固体热容（铝、铸铁）以及这些热容间的传热（传导、对流和辐射）。发动机机体（见图4）被离散为以下热容结构（最少热容点离散方式，可以进一步细化）：油底壳、曲轴箱、曲轴、连杆、活塞、缸体外壁、气缸、气缸盖和凸轮轴。
图4 机体热模型基本结构
对发动机机体进行离散后，必须正确考虑离散后各部分之间的传热现象，包括：
1.各离散质量点之间的热传导（缸体、缸盖及活塞等）；
2.机体内部冷却液与质量点之间的对流换热、润滑油与质量点之间的对流换热、气体与质量点之间的对流换热等；
3.摩擦产热与燃烧室燃烧产热。
图5所示为离散后的发动机机体热模型，离散后的机体热模型考虑了机体每部分的固体、液体和气体之间的换热，因此该模型能够充分考虑发动机冷启过程，同时给出机体内部各点的温度信息，避免机体局部过热。
图5 AMESim机体热模型
发动机舱热模型
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、中冷器和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。AMESim为工程师提供了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。
图6所示的HEAT库提供了发动机舱3D设计与分析能力。通过HEAT库，工程师可以对发动机舱的三维空间进行设定，并能根据各个部件间的相对位置、流道结构自动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6 HEAT库3D设计与分析能力
散热器、机油冷却器和空调冷凝器等部件之间的相对位置和几何尺寸为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7-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，3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3个部件的位置关系及大小，冷却风流道可以划分为图7-b所示的4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，最终结果满足整体设计要求。
图7 发动机舱空间位置关系
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、厚度等。
AMESim可以自动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。AMESim自动完成了网格的划分（见图8），在不同的网格区域考虑流动与传热的不均衡性。
图8 自动网格划分
除了空间位置意外，散热器内部的流动形式也会产生流动与传热的不均衡性，比如散热器内部的流道结构I形、U形和蛇形等流道均会对换热结果产生影响，AMESim对此均进行了充分的考虑，图9所示为U形流道的计算结果，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9 U型流道温度分布
在AMESim里可以很容易地对流动结构进行设定，包括流道数量、入口位置和每个流道的管路数量等（见图10）。
图10 散热器内部流道设定
除了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隔栅，高速运行的汽车前端为湍流流动，经过隔栅的扰动，其流动通常更加不均衡，如图11所示的CFD计算结果（雷诺汽车公司提供）。
图11 发动机舱迎风边界CFD计算结果
在AMESim中，可以使用任意CFD数据作为边界条件，如Fluent、Star-CD、Fire等软件，以迎风边界条件设定为例，将CFD边界数据在迎风面上沿X、Y轴进行离散，在相应（X，Y）坐标对应的网格内输入该点的数据值，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。如图12所示为轴对称双风扇所产生的速度边界场。在AMESim中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。
图12 速度边界模式
如图13所示为应用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13 算例结果
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，最终结果满足整体设计要求。
模型验证
上述AMESim车辆热管理解决方案已经在世界各大汽车厂商和零部件供应商中得到广泛应用，用于研究车辆冷启动过程温度变化以及发动机舱的布置对发动机油耗、排放等指标的影响，同时可用于研究新型的热管理系统结构和控制策略。不同厂商对AMESim的仿真结果进行了大量的试验对比，图14为在同一发动机工况下仿真与试验结果的对比，数据来自丰田汽车公司。
图14 单工况点仿真与试验对比
为了对模型进行更精确的验证，除了对比单工况点的数据外，还要对比循环工况下的数据。图15为同一AMESim模型在欧洲循环测试工况下的试验对比。
图15 欧洲循环测试工况下仿真与试验对比
一旦模型的精确度得到充分的证明，就可以以此模型为基准模型来研究新型热管理策略的影响，预测系统性能趋势。图16所示为基准模型结果与改进后结果对比。
图16 不同结构模型仿真结果对比
可见，改进后冷启过程系统水温与油温升高速度要比基准模型快，但稳态时的水温和油温都要比基准模型高。
结语
AMESim车辆热管理解决方案为工程师提供了一个多学科领域复杂系统建模仿真平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。基于AMESim平台，实现了车辆热管理系统的精确建模，大量成功案例表明，采用AMESim车辆热管理解决方案，可以分析发动机冷启过程、发动机舱布置对油耗、排放等的影响，引领系统创新，应对法律法规与乘客需求所带来的新的挑战。(end)
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(7/10/2009) |
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