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风扇矩阵对冷却模块空气侧流场的影响
论文发表|职称论文发表|代发表论文|发表论文|—qk114.net 更新时间:2017-11-23 10:25 点击:(次)

  摘要: 基于传统乘用车的单风扇系统,提出5种风扇矩阵形式,利用数值模拟技术分析不同矩阵形式对冷却模块空气侧流场的影响,结果表明:随着风扇数目的增加,冷却模块表面的速度均匀度皆表现出先减小后增大的变化趋势;N=4的风扇矩阵的速度分布均匀性最差,对应通过散热器的空气流量亦最小; N=15的风扇矩阵能够显著提升通过散热器的空气流量,相比原单风扇系统,空气流量提升15.6%。因此,在不降低散热器空气侧换热能力的前提下,采用该风扇矩阵形式能够使冷却系统的能耗降低,提高整车燃油经济性。采用风扇矩阵形式能够减少冷凝器前端的热回流区域,从而降低冷凝器迎风面的平均温度。 

  关键词: 数值模拟; 风扇矩阵; 冷却模块; 空气侧流场; 能耗
中图分类号: U464.1384 文献标志码: B
Effect of fan configuration on air-side flowfield of cooling module
WANG Hongchao, SHAN Xizhuang, YANG Zhigang
(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: Based on the single fan configuration of a traditional passenger car, five kinds of different fan configuration are presented, and the analysis on the effection of different fan configuration on the air-side flow field are carried out using numerical simulation technique. The results show that: with the increased number of fans, the velocity uniformity on the surface of cooling module firstly decrease and then increase, especially, the velocity uniformity of fan configuration of N=4 is the worst, and the air mass flow through the radiator is also minimal; however, when N=15, the air mass flow through the radiator is significantly increased by 15.6% compared to the original single fan system. On the premise that the heat transfer capability of the radiator is not decreased, the power consumption of cooling system can be reduced, the fuel economy can be improved. Furthermore, the fan configuration can effectively suppress the hot-recirculation on the front of condenser, so the average temperature on windward surface of condenser can be reduced.
Key words: numerical simulation; fan configuration; cooling module; air-side flow field; power consumption
0 引 言
日趋严格的排放法规以及不断攀升的油价,使得乘用车发动机舱热管理逐渐成为各整车厂以及研究机构关注的重点。[1]与此同时,车身造型趋势的变化、高性能发动机的普及,以及新技术(增压中冷、废气再循环等)的应用也为发动机舱热管理提出新的需求。在燃烧过程中,发动机所产生的热量有将近30%以废热的形式通过冷却系统散发到外界大气中,而在车辆运行过程中,风扇是冷却系统中能耗最大的部件[2],因此,对风扇进行优化是实现车辆节能减排的重要措施之一。
STAUNTON等[3]基于对先进热管理系统的研究表明,通过采用一组小尺寸的风扇组合来代替原有的单风扇系统,能够使冷却系统功耗明显降低。EMP公司为美国陆军特种运输车辆研发的智能热管理系统采用基于多风扇矩阵的分布式冷却系统,该系统能够保证车辆在低速行驶时仍具有充足的散热能力,同时能够降低冷却系统的整体能耗。[4]近年来,克莱姆森大学基于其所设计的6风扇矩阵,运用先进的非线性算法控制风扇的运转数目及转速,实现在不同的热负荷工况下风扇能耗最高可降低67%。[5-6]
本文基于某乘用车的传统单风扇冷却系统,提出不同的风扇矩阵形式,并分析各风扇矩阵形式对冷却模块空气侧流场的影响。
1 仿真设定
1.1 数值模型
采用某三厢乘用车1∶1整车数值模型,保留大部分的实车细节,忽略发动机舱中对流场影响较小的组件,如输电线、螺栓等。该车的冷却模块、发动机舱以及车身底部视图见图1。数值计算的湍流模型选择可实现的k-ε模型,该模型能够较准确地捕捉流动分离及预测车身外部气动阻力。计算域參照同济大学环境风洞进行创建,见图2。该风洞为3/4开口式风洞,包括收缩段、喷口、试验段、驻室、收集口以及扩散段,喷口面积为7 m2,车辆前端距离喷口1.7 m(参照实车试验布置),为避免出口边界出现回流进而影响计算稳定性,对扩散段进行延长,取15 m。模型的面网格划分采用三角形网格,体网格划分采用以六面体为核心的剪裁体网格,该网格类型在处理复杂的几何模型时具有较高的效率和鲁棒性[7],近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment以减少对边界层网格质量的敏感性。具体各区域的网格尺寸设置见表1。对发动机舱、车身底部等关键区域进行局部网格加密,最终划分的体网格数目约为2 500万个。所有算例皆采用稳态计算,迭代5 000步后残差降至10-4数量级,认为计算收敛。
 1.2 边界条件设定
入口边界设为质量流量入口,出口边界设为分散流出口,壁面边界条件取固定壁面。散热器、冷凝器使用多孔介质模型,其黏性阻力因数和惯性阻力因数通过台架测试数据拟合得到,换热模拟采用单流体换热器模型,其换热量由实车试验结果给定。
风扇模拟采用多重参考系模型,对包围风扇叶片的流体区域设定旋转坐标系模拟风扇转动,风扇转速由试验中实际测得的转速给定。由于发动机舱内部各部件存在复杂的热交换,因此忽略辐射换热的影响,对于放热部件,将其设定为均匀的温度壁面边界。
1.3 数值模型验证
通过对比车辆前端总压验证仿真模型。在车头前端200 mm处安装总压排,该总压排共布置28个1 mm的总压管,验证试验在同济大学地面交通工具风洞中心的环境风洞中进行,见图3。
在近地面处(H<0.2 m),试验测得的地面边界层比数值模拟得到的地面边界层厚,而在核心射流区,仿真所得的总压分布与试验结果比较一致,两者的平均误差为1.14%左右。该误差主要是在试验过程中传感器等所产生的测量误差以及在建模过程中由于模型简化所引入的模型误差。因此,可认为该数值模型具有较高的模拟精度。
 
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