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汽车压缩机热害问题的CFD仿真优化及试验验证
来源:汽车与驾驶维修  作者:佚名  2018-04-14 08:42:42



    摘要:汽车排气管是发动机舱内温度最高的部件,它周围零部件的热保护如果欠缺特别容易引起相关部件的损坏。某车型进行样车热害试验时发现排气管周围的压缩机局部温度显著超出其最高耐温,存在严重的热害风险。为了排除压缩机热害风险,本文采用CFD方法,从热辐射和空气对流两个角度,分析压缩机热害产生的原因,通过从改变前格栅开口、改变冷却风扇,移动压缩机改变间距,增加并优化排气管隔热罩形状,改变排气管隔热罩材料这几个措施,降低预催对压缩机的热辐射,改善压缩机附近的空气对流换热情况。仿真结果显示最终方案能够使得压缩机表面最高温度降低约70℃,并且在最终的试验中,压缩机表面温度低于耐温限值,成功解决了该车型的压缩机热害问题。这种通过全面改善压缩机周边对流及辐射环境来解决热害问题的方法,对解决发动机舱内部件的热保护问题具有重要的借鉴意义。

    汽车的压缩机对汽车空调的制冷剂有压缩和输送的作用,被誉为汽车空调的心脏。压缩机内部的密封橡胶圈和润滑油,在高温环境下工作容易破坏,破坏后容易引起压缩机的异响或拉缸,甚至造成压缩机的磨损报废,所以汽车压缩机要避免出现热害风险。汽车排气管系统是发动机舱内温度最高的部件,某些工况下能够达到600~800℃,这个高温的表面会对周边零部件产生强烈的辐射,同时会显著加热流经周围的空气,进而高温的空气会对下游产生明显影响。



    由于试验费用和仿真精度等问题国内一般车企都采用仿真和试验相结合来解决和规避汽车零部件的热害问题。某车型进行热害试验时发现压缩机局部温度超出其最高耐温,存在严重的热害风险。
    本文采用STARCCM+流体软件,从热辐射和空气对流两个角度,分析压缩机热害产生的原因,通过从增加前格栅开口增大进入机舱的冷风量、增大冷却风扇的尺寸和转速以加大机舱内冷风的抽入量,移动压缩机的布置位置,使它远离排气管热源,增加排气管隔热罩,隔绝排气管对压缩机的辐射,优化上游排气管隔热罩,降低对经过排气管路空气的加热,从而减少对处于气流下游位置压缩机的加热效果,改变排气管隔热罩材料提高其隔热效果这几个措施,改善压缩机附近的空气对流换热情况,降低预催对压缩机的热辐射,最终经过试验验证,压缩机表面最高温度降低约50℃。

    1 方法
    1.1理论公式
    流体运动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。同时这三大定律对流体运动的数学的详细描述形成了流体力学的基本方程组。本文采用STARCCM+10.04版本软件,同时计算流场、辐射和固体传热。求解流场的NS方程和固体导热方程是采用有限体积法,计算辐射是用面到面的热辐射计算。
    1.2网格处理
    随着表面网格、边界层网格和其他体网格的精细化,计算结果一定会越来越精确,但同时带来计算时间的延长。工程上的反馈周期往往是严格要求的,在有限的计算资源条件下,只能适当减少网格数量,牺牲一定的计算精度以换取时间得到完全的保证。鉴于工程反馈时间要求和计算资源的约束,本文的网格采取如下设定:边界棱柱网格厚度5 mm;隔热罩固体网格大小2 mm;边界棱柱网格层数2;汽车面网格1~16 mm;冷凝器、中冷器、散热器体网格大小2~4 mm;体网格总数约3 000万。
    1.3试验及仿真的边界条件
    考察发动机舱内部件热保护能力的环境舱试验的工况为车速60 km/h,负载坡度10%,CFD的模拟也为了尽可能地和试验一致,由于难以通过发动机建模模拟在负载10%坡度时的排气系统发热量,因而本文将基础试验中测得的排气管表面温度作为CFD分析中的温度边界条件,进而在各个情形条件下模拟空气流动、辐射来考察处于排气管周围的压缩机表面的温度。
    空气密度:1.14 kg /M3,比热:1003.62 J/kg-K,热导率:0.026 W/m-K。本分析中散热器、中冷器和冷凝器采用多孔介质模型;风扇用moving reference frame模型,其它固体表面采用绝热边界条件,所有隔热罩采用固体模型。预催隔热罩材料是由镀铝钢板和陶瓷纤维构成,两层0.5 mm的镀铝钢板中间夹一层0.5 mm陶瓷纤维,折算成整体的密度、比热和热导率进行计算,属性表所示。

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