基于一维/三维联合仿真的发动机冷却系统性能匹配与优化研究

摘要

发动机冷却系统是整车热管理中的一个重要子系统，其性能优劣直接影响着整车的动力性、经济性、舒适性以及排放性能等。随着发动机的强化程度越来越高，发动机的功率密度日益提高，同时人们对乘员舱内的舒适性要求也逐渐增强，这势必会给发动机冷却系统带来更大的负担，很容易造成发动机舱内流场和温度场不合理，从而引起发动机冷却系统性能下降，出现冷却液温度过高甚至“开锅”的危险。因此合理设计发动机冷却系统，保证冷却液温度处于合适的范围是目前急需解决的重要技术问题之一。本文依托校企合作项目，利用一维/三维联合仿真的手段对某汽车冷却系统进行了相关的计算分析，为前期冷却系统的开发奠定了基础。
　　本研究主要内容包括：⑴基于一维热流体软件Flowmaster中的高级换热器模块对汽车散热器进行建模仿真，在保证散热器的迎风面积不变的情况下，以散热器换热量为目标函数，利用正交试验方法对各因素进行换热性能研究，并通过极差分析确定各因素对散热量的影响程度，获取了换热效果最好的优化组合，并得出在实际选型时应遵循的标准。⑵根据冷却系统实际布置方式和各零部件的试验数据建立了冷却系统一维仿真模型，计算了城市、爬坡及高速三种工况下冷却系统的压力、温度及速度分布。在此基础上分析了冷凝器与油冷器的散热量对发动机进出水温度的影响，并对环境温度、湿度、压力、发动机功率等影响因素进行了敏感性分析，为冷却风扇和水泵的智能化控制提供了依据。⑶通过对发动机舱内模型的简化，构建了各换热器的多孔介质模型、体积热源模型和风扇动量源模型，利用三维CFD对发动机舱内流场和温度场进行三种工况的计算分析，结果发现发动机舱内存在高温区，不利于各换热器的散热。因此为了改善舱内热环境，分别对风扇的安装位置和各换热器之间的相对布置方式提出了改进方案，通过对散热模块的流场和温度场分析得出，当采用风扇对中布置、冷凝器和油冷器置于散热器上方的方案时，散热模块的综合性能最优，发动机舱内的热环境得到改善。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2发动机冷却系统概述

1.3国内外研究进展

1.4本文研究主要内容

第二章 模型建立及验证

2.1 Flowmaster软件介绍

2.2基于几何结构的散热器模型建立

2.3发动机冷却系统一维模型的建立

2.4发动机冷却系统三维模型的建立

2.5计算模型的试验验证

2.6本章小结

第三章 汽车散热器芯体的正交优化设计

3.1正交理论

3.2正交表的设计

3.3影响因素分析

3.4散热器的优化选型

3.5本章小结

第四章 冷却系统一维仿真计算及敏感性分析

4.1典型工况的一维仿真分析

4.2冷凝器散热量的影响

4.3油冷器散热量的影响

4.4敏感性分析

4.5本章小结

第五章 冷却系统三维计算与结构优化

5.1典型工况的三维仿真分析

5.2冷却风扇布置方式的改进

5.3换热器相对位置的改进

5.4本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢