1.前言

在汽車行業(yè)中，發(fā)動機艙散熱一直是一個研究的重點。發(fā)動機艙內(nèi)空間小，散熱部件多，幾何復雜而不規(guī)則。在這樣困難的情況下，合理組織流場，保證氣流充分帶走發(fā)動機及其他散熱部件的熱量，避免在發(fā)動機艙內(nèi)形成流動死區(qū)和局部高溫區(qū)，這些都對設(shè)計師提出巨大的挑戰(zhàn)。而對于燃料電池汽車而言，如果電堆表面溫度過高，會嚴重影響發(fā)動機的性能和安全。

此外，發(fā)動機艙溫度過高，氣流流動和散熱不良會直接影響發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的性能，而這對于燃料電池組的性能和安全更是至關(guān)重要的。隨著計算流體動力學(CFD)技術(shù)的發(fā)展和計算機硬件能力的飛躍，計算流體動力學被越來越多的應(yīng)用于發(fā)動機艙的設(shè)計和研究中[1][2][3]?；贑FD的數(shù)值模擬全面而詳細的冷卻氣流在發(fā)動機艙內(nèi)的流動和換熱過程，得到流速、流態(tài)、換熱量和各表面溫度等詳盡參數(shù)，為發(fā)動機艙的設(shè)計和優(yōu)化提供的有力參考和驗證。

上海汽車股份有限公司技術(shù)中心在新車研發(fā)過程中，大量使用CFD模擬計算，為設(shè)計提供有力的支持。針對燃料電池轎車的開發(fā)，我技術(shù)中心采用新的大型CFD軟件STAR-CCM+進行發(fā)動機艙的全尺寸3D模擬計算，研究其流動與散熱情況[4]。

本次項目的燃料電池轎車，其發(fā)動機艙內(nèi)電堆的表面溫度高達80℃，這就對發(fā)動機艙內(nèi)散熱提出很高的要求。在計算中，我們采用了最惡劣的工況，即環(huán)境溫度為43℃，這導致發(fā)動機艙內(nèi)部流動散熱情況也更加復雜，增加了計算的難度。計算中，除了考慮燃料電池組(發(fā)動機)外，我們還考慮了一個高溫散熱器、一個低溫散熱器、一個空調(diào)冷凝器和一個吸風風扇，這樣對整個前艙的流動與散熱CFD仿真分析，更具有實際的意義。

本次項目中的難點包括：發(fā)動機艙內(nèi)部復雜的流動結(jié)構(gòu)模型;計算時邊界條件的獲得;龐大的計算網(wǎng)格;極端邊界條件對求解器收斂性的挑戰(zhàn);以及復雜的換熱與流動的耦合計算等。在上海汽車股份有限公司技術(shù)中心和STAR-CD雙方工程師的共同努力下，我們最終解決這這些難題，在較短的時間內(nèi)完成全部模擬計算，取得了滿意的結(jié)果。這些結(jié)果對研究發(fā)動機艙內(nèi)的流動換熱情況，指導工程設(shè)計起到了很好的作用。這個項目的完成也再次顯示了大型CFD軟件在汽車發(fā)動機艙設(shè)計中的實用價值。

2.計算項目背景

本項目是采用CFD手段對發(fā)動機前艙進行散熱性能的分析計算，主要包括以下兩個方面：

第一，通過計算得到發(fā)動機前艙內(nèi)部的溫度分布和各主要部件的表面溫度值，以此作為考察內(nèi)部部件布置的依據(jù);找出艙內(nèi)溫度極高點的位置，進行優(yōu)化設(shè)計。

第二，通過計算得到發(fā)動機前艙內(nèi)部的壓力分布和速度分布情況，以此來考察內(nèi)部流場的流動特征，對發(fā)動機艙內(nèi)各部件的布置情況給出適當?shù)慕ㄗh。

下圖展示了計算域的情況：

圖1發(fā)動機艙內(nèi)部部件

圖2數(shù)值模擬計算域

3.計算模型與數(shù)值方法

計算采用標準的“N-S方程組”的迭代求解方式，給定初場，然后通過聯(lián)立求解每個網(wǎng)格單元上的N-S方程組，不斷迭代，直到計算達到收斂。對于壓力項和速度項之間的偶合關(guān)系采用SIMPLE算法，此算法早已得到計算業(yè)界的廣泛認可。在計算中考慮N-S方程組中的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程共三個方程組，分別如下[5]：

計算中使用湍流模型為標準的k-e兩方程湍流模型，壁面處采用了標準壁面函數(shù)法。在計算中考慮的輻射影響，輻射模型為DiscreteOrdinates模型。

計算中，對Pressure、Momentum、Turbulentfactors、Energy等項均使用兩階迎風格式，以提高計算精度。

4.風扇模型和換熱器模型

風扇是發(fā)動機艙流場的動力源之一，其性能直接影響發(fā)動機艙內(nèi)流場的流態(tài)和換熱效果。所以，風扇模擬的精度對整個計算的精度有重要的影響。在計算中，我們采用了STAR-CCM+的新的風扇模型，既避免了對風扇的直接模擬，又保證了計算達到工程可以接受的精度。

我們以風扇的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，指定通過風扇前后的壓力變化與通過風扇的速度之間的函數(shù)關(guān)系，從而簡化計算。

在計算中，高溫散熱器、低溫散熱器和空調(diào)冷凝器均采用了多孔介質(zhì)的計算模型。在多孔介質(zhì)模型中以均勻化的壓力變化來代替板翅式換熱器等復雜結(jié)構(gòu)體積，從而簡化模型。其空氣流動阻力同空氣流速的變化關(guān)系由試驗得到的曲線給定。

5.計算網(wǎng)格

STAR-CCM+具有強大的網(wǎng)格能力，其蜂窩狀網(wǎng)格更是它的特色。幾何文件(.stl等格式)可以直接輸入Starccm+中，輸入的幾何文件都自動轉(zhuǎn)化為很多小面來構(gòu)成幾何表面。使用具有相適應(yīng)特征的網(wǎng)格有助于顯著提高解題的精度、計算的收斂性和穩(wěn)定性。Starccm+中可以生成四面體或多面體網(wǎng)格，且可以生成邊界層網(wǎng)格。在此次分析中采用了四面體和邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為3,507,025，節(jié)點數(shù)為707,294。

6.邊界條件和收斂情況

本次計算中共采用了三種流動邊界條件(velocity-inlet;pressure-outlet;wall)、三種換熱邊界條件(heat-flux;temperature;convection)、多孔介質(zhì)邊界條件(Porousmedia)、體積源項(fluidsource)邊界條件，風扇模型(fan-model)邊界條件。

計算中進風口處，其邊界條件設(shè)定為velocity-inlet，速度進口邊界條件，以車速70km/h為入口風速，假定環(huán)境溫度為43攝氏度，為最惡劣工況。

壓力出口邊界條件(pressureoutlet)，壓力出口邊界條件代表用戶只需指出該處的壓力值，以及如果在該位置有回流，其回流的流體溫度是多少即可。本次計算中，壓力出口邊界上的壓力值為一個大氣壓。

高溫散熱器、低溫散熱器和空調(diào)冷凝器均采用了多孔介質(zhì)的計算模型。

風扇采用風扇模型，指定通過風扇前后的壓力變化與通過風扇的速度之間的函數(shù)關(guān)系。

計算在一臺hpxw9400工作站(4核Xeon處理器，8GB內(nèi)存)上完成，約運行12小時。求解器強健，收斂穩(wěn)定、快速。

7.計算結(jié)果與分析

通過以上分析我們看到，計算不但使我們獲得一些宏觀的數(shù)據(jù)，也很好的顯示了發(fā)動機艙內(nèi)的流動、換熱的細節(jié)，為我們詳細研究艙內(nèi)情況，對一些部件進行局部的調(diào)整，提供了直觀而明確的指導。這對于優(yōu)化發(fā)動機艙的布置，提高冷卻系統(tǒng)效能具有相當實際的指導意義。

8.結(jié)論

通過分析發(fā)動機前艙散熱性能的計算結(jié)果，得出如下結(jié)論和建議：

通過數(shù)值計算的手段，可以對發(fā)動機艙內(nèi)的流動換熱現(xiàn)象進行詳細而準確的描述，對尋找發(fā)動機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性以及優(yōu)化其中的流動換熱效果具有指導性意義。

系統(tǒng)散熱性能基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，但在散熱器的局部位置存在流動的死區(qū)，這主要是由進風格柵導風板形狀及風扇形狀引起，可以通過修正導風板形狀來解決。

在環(huán)境溫度43攝氏度下，發(fā)動機艙電堆周圍的溫度場溫度分布基本在60~70攝氏度之間，遠離熱源的區(qū)域溫度分布在40~50攝氏度之間，散熱效果比較合理。

發(fā)動機罩在突起部分的兩側(cè)，溫度值偏高，應(yīng)引起注意。