1 前言
近年来，随着商用车发动机的功率不断提升，发动机热负荷急剧增加，对发动机的冷却系统及车辆热管理性能开发提出了更高要求[1-3]。同时随着国家排放法规升级，国六排放标准对商用车冷却性能要求进一步提升，若机舱内冷却系统的性能匹配和布置不合理会严重影冷却效率，出现热风回流或逆流等现象，最终引起发动机进出水温度较高，热敏原件表面温度过高等现象[2]。在这种情况下会导致发动机的充气效率降低，燃烧不充分；同时由于机舱内局部温度过高，会导致热敏原件出现热害风险，甚至会减少元器件的使用寿命，引起车辆自燃。因此整车热平衡及热保护性能开发成为研究难点与热点[4]。
本文采用 PowerFLOW 流体软件首先对基础车型进行热平衡与热保护进仿真分析，并与试验进行对标，建立基于真实几何的数字风洞，并建立一套高精度仿真方法，将发动机水温误差控制在 1°C之内，热敏原件表面温度误差控制在 5°C 之内。
针对开发车型采用建立的数字风洞进行整车一维与三维耦合的热平衡及热保护仿真分析，研究冷却模块之间的相对位置、芯体尺寸、风扇位置，风扇侵入量，护风圈深度，密封等因素对整车冷却系统的影响，通过多目标优化，建立响应面，并对各影响因素进行灵敏度分析，寻找出最大影响因素及所占比重，探索整车热平衡性能的最大潜力，并通过试验验证仿真结果的准确性，以期为整车冷却系统设计提供参考。
2、基础车型热性能分析及数字风洞标定
基础车型为一汽解放某重卡车型，如下图 1 所示
图 1 基础车型
机舱主要包含冷却模块、发动机、传动系统、电器系统、车身支架等等，本次分析采用全细节几何模型，几何数据没有删减，保证整车结构的真实性与完整性，并根据热环境风洞的几何尺寸建立虚拟的数字风洞，如图 2 所示
(a) 真实风洞 (b)数字风洞-几何模型
(3)数字风洞-网格模型
图 2 环境风洞
经过多次计算，标定计算模型及数字风洞边界条件，最终获得高精度分析结果，如表 1 和表 2所示。
表 1 热平衡仿真分析与试验对标
表 2 热平衡对标
从表 1 与表 2 可以看出标定后的数字风洞仿真结果与试验结果具有高度一致性，热平衡水温误差小于 1℃，热害点误差小于 5℃，为后续的机舱结构优化提供了理论依据。
2 升级车型热性能多目标优化
针对功率点工况进行重点分析，通过对新车型的机舱流场和温度场仿真分析，发现机舱内存在明显的热风回流和冷却气流泄漏等现象，这不仅减少了流经冷却模块的气流量，造成发动机舱空间温度过高，而且还降低了散热器的散热性能，造成发动机进出水口冷却液温度过高。针对发动机舱内存在回流现象以及汽车冷却系数过高问题，对冷却模块及机舱布置进行优化迭代。
3.1. 冷却模块的多目标优化
为了减少 DOE 分析的计算时间，需要对冷却模块搭建虚拟台架模型，如图 3 所示
图 3 虚拟台架
图 4 标定流程
边界条件取自整车分析，标定的流程如图 4 所示，对标定后的简化模型建立优化空间，如表 3 所示
表 3 优化变量
经过大量计算建立响应面模型，如图 5 所示
(a) 响应面
(b) Pareto Front (c) Pareto Front
图 5 多目标优化
通过 DOE 分析，可以探索到散热器的优化空间为 4°C，通过改变风扇罩，风扇位置及侵入量最大可以改善 2°C，若再更改 CAC 高度则可以改善到 4°C。中冷器的最大优化空间为 13°C，主要的影响因素为中冷器本体的高度。经过多目标优化后可以综合考虑散热器的散热效率及中冷器的散热效率，选取可以平衡两目标的设计变量，形成最终的冷却模块优化方案，将优化后的冷却模块搭载到整车系统，进行整车热平衡性能分析
3.2. 计算边界条件
数字风洞的入口设置为质量流量入口，出口为压力出口，环境温度为 35℃，车轮和风扇真实旋转，采用 sliding mesh 处理，具体边界条件如表 4 所示
表 4 边界条件
3.3 计算结果
对比采用基础状态的冷却模块与优化后的冷却模块的整车热平衡分析结果，见表 5 所示
表 5 结算结果
从分析结果可以看到优化冷却模块后可以提升许用环境温度 2.1℃。由于在对冷却模块进行 DOE分析中并未考虑热风回流的影响，从机舱流场分析可以看到通过冷却模块的热气流有部分回流到前部与从上进气格栅处流入的冷却气流混合，并有部分再次通过散热器进行二次加热，降低散热效率，见图 6 所示机舱流场
图 6 基础方案机舱流场
因此需要在机舱内增加防回流挡板，隔绝热回流，提升冷却效率，防回流挡板结构如图 7 所示
图 7 防回流挡板
图 8 增加防回流挡板机舱流场
增加防回流挡板后的机舱流场分布如图 8 所示，机舱内流动顺畅，没有热风回流和逆流出现，并且可以引导从上进气格栅流入的冷却气流流经冷却模块，提高通过冷却散热器的气流量，提升换热效率。
4 结果验证
采用上述优化方案可以满足整车热平衡性能开发目标需求，为验证实车最终的热平衡性能，进行整车热环境风洞试验，试验结果如下表 6 所示
表 6 优化结果统计
对比试验结果与仿真结果可以看到仿真误差小于 1℃，优化冷却模块及增加防回流挡板均可提升整车的最大许用环境温度，使整车的最大许用环境温度大于目标值，满足性能开发目标。
5 结论
1）建立了数字环境风洞，热平衡仿真分析精度为 1℃，重点关心部位热害仿真精度为 5℃，可以有效支撑热管理性能开发并提升研发效率。
2）冷却模块的空间布置及各芯体之间的相对位置对散热器性能有较大影响，目前优化空间下，中冷器的高度对散热器的散热性能影响最大。
3）合理地增加防回流挡板可以有效提升散热器的散热性能。
资料来源：达索官方
