本文關鍵詞：基于雙場耦合的反置發(fā)動機艙內(nèi)流場強化散熱研究

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【摘要】：隨著高功率密度發(fā)動機的出現(xiàn)和眾多汽車新技術、新系統(tǒng)的不斷應用,汽車發(fā)動機艙內(nèi)散熱負荷日益增大而空間更加擁擠,導致散熱不足、局部高溫烘烤等問題頻頻出現(xiàn),影響汽車的運行可靠性、安全性、燃油經(jīng)濟性和排放性�；贑FD仿真對發(fā)動機艙內(nèi)空氣流場進行分析與改進以實現(xiàn)強化散熱,是解決上述問題的重要方法,但目前的流場強化散熱未考慮空氣速度場和溫度場對散熱的耦合作用,制約艙內(nèi)散熱部件以及冷卻空氣散熱性能發(fā)揮。反置式布局發(fā)動機,簡稱反置發(fā)動機,具有燃燒充分和重心低等優(yōu)點,已廣泛出現(xiàn)于商用車發(fā)動機艙內(nèi),然而,該發(fā)動機布局方式使得空氣難以到達發(fā)動機后方的排氣歧管,導致排氣歧管散熱困難,該問題已成為反置發(fā)動機汽車熱管理的技術難點。對此,以某款反置發(fā)動機汽車為研究對象,開展了基于雙場耦合的發(fā)動機艙內(nèi)流場強化散熱方法研究,具體研究工作如下:(1)發(fā)動機艙內(nèi)散熱特性實車實驗。在分析反置發(fā)動機艙內(nèi)結構特點和散熱原理的基礎上,參考GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》,設計了多工況發(fā)動機艙內(nèi)散熱特性的實車實驗,監(jiān)測艙內(nèi)16個位置點的溫度和散熱器熱流體入口溫度,并通過多工況的測試數(shù)據(jù)對比分析,確定散熱惡劣工況,所得實驗數(shù)據(jù)和結論為艙內(nèi)流場散熱的CFD仿真分析奠定基礎。(2)發(fā)動機艙內(nèi)流動與散熱特性的CFD仿真分析。首先,在邊界層動量方程中保留壓強梯度源項,以Prandtl湍流混合長度理論封閉湍流應力,并將標準壁面函數(shù)作為無壓強梯度情況下的具體形式以確定積分常數(shù),提出了一種基于壓強梯度的改進壁面函數(shù)(MWF),并通過后臺階分離流和國際MIRA階梯背車模背部分離流動的計算,驗證MWF的計算可靠性。然后,對多個實車實驗工況下的發(fā)動機艙內(nèi)流場進行CFD仿真,其中邊界層計算采用改進壁面函數(shù),基于實驗數(shù)據(jù)對仿真結果驗證后,分析惡劣工況下艙內(nèi)空氣流動與散熱特性,以探明原車發(fā)動機艙內(nèi)散熱不足和局部高溫的成因。(3)發(fā)動機艙內(nèi)雙場耦合強化散熱原理研究。基于散熱器散熱原理,采用分布參數(shù)法建立發(fā)動機艙內(nèi)流場中散熱器的散熱功率模型,并運用無量綱化方法分析迎風面速度場和溫度場對散熱器散熱的耦合影響機理,獲得了量化速度場和溫度場耦合影響的雙場耦合系數(shù);基于雙場耦合系數(shù)極大值條件,提出了散熱器強化散熱的迎風面空氣速度與冷熱流體溫差“大小”對稱雙場耦合原則,并基于此,推導迎風面速度沿熱流體流動方向降低的優(yōu)化分布規(guī)律,通過仿真驗證了該速度優(yōu)化分布規(guī)律的有效性。同時,基于對流換熱場協(xié)同理論,研究了非散熱器高溫部件強化散熱的流體速度矢量與溫度梯度矢量的0°夾角原則;基于0°夾角原則和自然對流換熱下的流體溫度場分布特征,提出了非散熱器高溫部件雙場耦合強化散熱的入流空氣速度的“輻射狀”優(yōu)化方向,并通過仿真驗證了該“輻射狀”優(yōu)化方向的有效性。(4)發(fā)動機艙前端雙場耦合強化散熱結構研究。針對發(fā)動機艙前端散熱器散熱不足問題,基于上述散熱器強化散熱的“大小”對稱雙場耦合原則和速度優(yōu)化分布規(guī)律,進一步分析了散熱器迎風面流場的不合理性;基于此,研究前端可調(diào)結構(柵條布置方式、格柵輪廓形狀、“R-F-E”的位置關系)和散熱器導流罩對散熱器迎風面流場及其散熱性能的影響規(guī)律,基于改善散熱器迎風面速度分布(即雙場耦合方式)和增加冷卻空氣流量雙目標,確定了實現(xiàn)發(fā)動機艙前端流場雙場耦合強化散熱的改進結構。(5)發(fā)動機艙后端雙場耦合強化散熱結構研究。應用非散熱器高溫部件基于速度矢量和溫度梯度矢量0°夾角原則的入流空氣速度“輻射狀”優(yōu)化方向,分析了原車排氣歧管入流空氣速度方向不合理性;基于此,綜合考慮增加排氣歧管冷卻空氣流量、優(yōu)化排氣歧管入流空氣速度方向以及消除回流等目標,設計了后端流場強化散熱的5種結構改進方案,通過對比分析5種方案對艙內(nèi)流動和后端流場散熱的影響,確定了實現(xiàn)后端流場雙場耦合強化散熱的“散熱器-風扇”導流罩組合結構。(6)基于雙場耦合的整艙內(nèi)流場強化散熱的綜合改進結構。基于發(fā)動機艙前、后端的速度場和溫度場耦合強化散熱結構,形成綜合改進結構,并對該結構下的艙內(nèi)空氣流動和散熱特性與原車進行了對比分析,結果表明:散熱器冷卻空氣流量增大,迎風面雙場耦合方式改善,散熱器散熱性能提高,其熱流體入口溫度降低為88℃;排氣歧管冷卻空氣流量增大,且入流方向改善,排氣歧管散熱性能提高,表面平均溫度降低為486℃,附近的局部高溫消失;發(fā)動機艙內(nèi)其他高溫部件的散熱良好,且整個發(fā)動機艙內(nèi)空氣溫度為62℃~73℃的區(qū)域明顯減少,全艙內(nèi)流場散熱性能被綜合提高。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U464.13
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本文編號：1246198