5.2.1.2 发动机舱热管理性能的CAE仿真与优化

为达成热管理系统性能分解指标，项目开发前期须通过CAE的手段进行仿真和优化，对整车目标和辅助整车目标达成的指标进行过程管控。在项目开发的不同阶段关注点不同，把发动机舱热管理仿真分两个部分：发动机舱流场仿真（考察流场）和发动机舱温度场仿真（考察温度）。发动机舱温度场仿真必须考虑流场的影响，因此第一步进行发动机舱流场仿真，第二步进行发动机舱温度场仿真。

1.发动机舱流场仿真

发动机舱流场仿真能直观体现空气进入发动机舱后的流动情况，如图5-5所示，便于针对风险项进行优化，此项工作主要有三个目的：

1）依据指标要求检查整车状态下发动机舱进气是否合理，整车条件下能否满足冷却与空调的进气量要求。

2）检查是否存在热空气死流、回流等问题。

3）为下一步发动机舱温度场仿真做准备。

（1）仿真模型建立 发动机舱内零部件繁杂，部件特征尺度变化很大，如管路、线束、插接件等部件尺寸小，而蓄电池、空滤器等部件较大，这些部件构成车发动机舱复杂的布置和流动环境。在建立模型前，有必要对几何结构进行简化处理，忽略不重要的细节。

在建立离散模型时，为了建立合理的体网格模型捕捉详细的流动情况，需根据不同零部件或区域的尺寸要求，设置不等的面网格尺寸。面网格尺寸设置以保持几何特征为大体原则，通常，对于细小管道网格尺寸在2～4mm之间，发动机舱其他部件控制在5～10mm之间，车身及地板大平面几何表面控制在10～20mm之间。合理的体网格划分能减少计算时间和提高收敛性，工程师会根据时间、计算资源和精度需求在重点关注位置（如格栅、发动机舱、底盘等）位置对体网格进行加密，加密尺寸在8～128mm不等。为保证一定的计算精确度，一般总体网格数量控制在1000万以上，计算域加密示意与发动机舱部件离散化网格分别如图5-6、图5-7所示。

（2）流场仿真输入边界 要想得到准确的发动机舱热管理仿真结果，获取准确的输入是非常重要的一步。热管理仿真边界很多，涉及专业广，因此需要从各专业收集输入，涉及的边界主要是动力和空调。收集到的原始数据经过校准无误后，转化为相应仿真工况下的输入，输入包括速度边界、温度边界、压力边界，如图5-8所示。

（3）仿真结果与风险 计算模型需达到一定的收敛标准，一般为10-3以下，收敛效果越好，结果越可信。仿真完成后从模型中获取发动机舱内的风温、风速、风向等结果数据，对比设定的目标，判断是否存在风险，见表5-3。

通过冷却液温度结果判定整车条件下冷却系统方案是否满足要求，如图5-9所示；通过分析流场云图，查看发动机舱风速、风温分布，避免出现流动死区，从而保证发动机舱流动的顺畅性，如图5-10所示。

2.发动机舱及底盘的温度场仿真

发动机舱部件复杂，出现高温问题不易察觉，因此需要在项目开发前期对这些部件进行温度场分析，找出超温风险，并在数字样车阶段提出优化方案，解决风险。

（1）发动机舱及底盘的温度场仿真方法 整个发动机舱及底盘温度场分析消耗的计算资源和时间资源是巨大的，通常有以下5种计算的方法：

1）利用3D软件直接进行流固共轭换热计算，如STAR-CCM+、FLUNT。

2）STAR-CCM+与RadTherm耦合计算。

3）STAR-CD与POSRAD&Abaqus耦合计算。

4）STAR-CCM+与Lumped Parameter Model耦合。

5）STAR-CCM+流体模型与ShellRegion模型耦合计算。

从使用方便性、资源的消耗考虑，建议采用STAR-CCM+与RadTherm耦合计算的方式，其耦合机理为：STAR-CCM+计算完流场后，将壁面空气温度与对流换热系数导入RadTherm, RadTherm计算收敛后将壁面温度导入STAR-CCM+再次计算壁面空气温度和对流换热系数，如此反复多轮，直至温度不再变化，耦合过程如图5-11所示。

（2）RadTherm辐射网格生成 流场分析模型中没有考虑辐射与导热，因此需要单独建立计算辐射与导热的模型。RadTherm中采用壳单元网格来替代固体网格，为保流场模型与辐射模型耦合良好，一般使用流体模型中的网格重构得到辐射模型网格，生成后的网格如图5-12所示。

（3）设置仿真边界 仿真边界分为两类，一类是热源，另一类是受热部件。

热源：发热的部件，如发动机排气管、三元催化转换器、内含机油和冷却液的部件等，根据不同的工况设置相应的流量、温度、发射率以及材料属性，如排气管设置，如图5-13所示。

受热部件：除热源、地面以外的部件，设置材料属性（塑料或橡胶）、厚度、灰度、热链接等，设置如图5-14所示。

（4）仿真结果与风险 温度场的分析主要包括稳态和热静置两种工况。稳态工况的热管理仿真覆盖了约95%的热敏零部件，但对于一些靠近排气管的部件，热静置远比行驶工况更为恶劣。由于行驶工况下有迎面风进行冷却，在长时间行驶后，部件温度会达到一个平衡状态，温度相对稳定而不会产生巨变。熄火后的短时间内，车辆没有迎面风，而排气管等热源温度并不会迅速下降，因此导致部件的温度急剧升高，如图5-15所示。因此在发动机舱热管理性能开发中，热静置也是重点考察的工况。

热静置工况温升是瞬态过程，计算需要基于某一时刻的稳态结果作为初始状态，因此在瞬态模拟之前必须先完成稳态分析，并在瞬态的模型中需考虑风扇后运行时间以及发动机排气温度、流量随时间变化。瞬态仿真耗费的资源是巨大的，几分钟的过程花费数十天的计算时间，因此，在工程应用时往往只关注排气管附近的少数部件的瞬时温度。某车型的热静置工况仿真结果如图5-16所示。

采用仿真分析手段对各系统方案进行虚拟匹配计算后，根据规则判断各项指标的风险等级。风险分为高、中、低、无四个等级，需同时考虑仿真误差，如果仿真误差为±5°C，仿真温度超出指标5°C以上为高风险，超出指标5°C以内为中风险，满足指标且比限值低5°C以内为低风险，满足指标且比限值低5°C以上为无风险，见表5-4。综合分析和对比各方案的风险等级，筛选合理的组合方案，直至发动机舱各项指标温度满足要求为止。

3.优化方案及仿真验证

对于发动机舱流场和温度场仿真中不满足的目标项，需要制定优化方案，经过多轮、多方案的仿真验证，直至达成项目需求。

由于发动机舱部件之间有一定布置间距的要求，因导热出现超温的情况较少，发动机舱部件超温的原因主要是对流传热（即空气加热）和辐射传热（即受到排气管等高温热源炙烤）两种，因此，优化的方法主要有以下三种：

1）优化发动机舱布置。根据计算的发动机舱温度分布，将受热能力较低的部件远离高温区域。

2）增加隔热措施。分为对热源隔热和对受热部件隔热，若因热源影响导致超温部件较多，则建议对热源进行隔热处理，反之对零部件进行隔热。隔热材料有铝箔、毛毡、玻纤、石棉等，应根据隔热效果并结合实施工艺难度及成本综合考虑选择材料。

3）引流冷却。将低温区的空气引流到高温区，从而使高温区温度降低到目标以下。

某项目后悬置通过下护板引流的方案，解决了超温问题，如图5-17所示。