汽车排气系统共轭传热与机舱热管理的仿真和试验研究

谢超杰¹，刘文辉¹，王震虎²³，邱飒蔚²³，谭传智⁴

(1. 湖南科技大学机电工程学院，湖南 湘潭411201）

(2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙410082）

(3. 湖南大学机械与运载工程学院，湖南 长沙410082）

(4. 重庆长安汽车欧尚研究院，重庆400023)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475162，51405153)

作者简介：谢超杰（1990—），男，硕士研究生，主要研究领域为汽车CFD仿真与分析，651322542@qq.com.

摘要：以基于汽车整车环境下计算出的排气系统外壁面的对流换热系数来描述排气系统周围的流场分布状况，建立了排气系统的仿真模型，运用双向STAR-CCM+至STAR-CCM+共轭传热协同仿真计算得到了排气系统外壁面的温度分布结果，并将其作为汽车机舱热管理仿真模型的热边界条件，分别对怠速和爬10%坡度工况进行了三维稳态模拟。在环境舱中对整车进行热害试验，对比分析了协同仿真和传统仿真与试验结果的误差。结果表明，协同仿真获得的零部件表面温度分布情况更接近于实际。

关键词：机舱热管理；排气系统；共轭传热；协同仿真

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：2095-509X(2019)09-0079-06

整车项目开发过程中，在初步确定汽车的基本造型和动力总成形式以后，需要寻求合理的总布置方案以符合整车造型和尺寸的要求［1］。机舱热管理的开发尤为重要，明确的开发流程可以减少试验次数，为项目节省大量的成本并缩短开发周期。由于各零部件的独立性和部件之间的关联性，为寻得一个最优解往往会顾此失彼。随着计算机硬件技术和CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）理论及其软件的发展，机舱热管理的数值模拟方法日趋成熟，可帮助人们更加直观地判断机舱及底盘的热害问题并迅速有效地提出可行的优化方案。

对于机舱热管理的试验及其检测结果的精确度已经有了大量的研究［2-3］，并且在数值仿真模拟上也有了相对成熟的方法［4-5］。但在现阶段大多数对汽车机舱热管理的仿真分析中，热边界条件的获取都是基于试验和经验，且采用的是面均匀值的方法［6-7］。由于排气系统形状的不规则和周围环境的复杂性，以及有限的监测点测得的表面温度值难以作为完整的热边界条件来分析整车的热平衡特性，因此〖BF〗对于壁面温度梯度较大的边界若采用面均匀值的方法则会给计算结果带来相应的误差。文献［8］和文献［9］在对排气系统的仿真中虽然计算出了排气系统外壁面的温度分布，但是对排气系统周围的环境状况均做了简化处理，只建立了简单的外部计算域或者对外壁面的对流换热系数采用均匀分布的设置。鉴于整车零部件本身及其相互之间布置的复杂性，简单的外流场模拟难以计算出准确的排气系统外壁面的对流换热系数。肖国权等［10］建立了排气系统与整车一体的内外流固共轭换热模型，虽然考虑了排气系统外壁面对流换热系数的分布，但并没有考虑到固体和流体域中存在不同的导热时间问题。因为在发动机工作的初始阶段，排气系统内的气体在很短的时间内就会有一个相对稳定的状态，而排气系统的表面温度并不会在短时间内就达到最终稳定的温度。Liu等［11］的研究表明，排气歧管稳态与瞬态的计算结果在温度分布上出现了较大的差异，对排气系统进行瞬态模拟是十分必要的。因此，排气系统外壁面温度分布的获取方法及其精确程度在汽车机舱热管理仿真分析中的设置对于计算结果的可靠性至关重要。