耦合空调动力舱气动冷却过程分析

当前，在汽车开发研究领域中，设计者和使用者对车辆高动力性和高舒适性的双重要求，使得动力源热控和空调热控成为汽车热管理的主要核心问题之一。在以往对动力舱多热力系统的研究中，多从宏观的角度对动力舱整舱的流动及传热进行分析，而忽略了发动机冷却系统的散热器与空调系统的冷凝器这两个分属于两个系统的重要部件之间的相互影响关系，对于散热器或者冷凝器的分析也都是独立进行的。而实际上，发动机冷却系统的散热器影响着车辆的动力性能，空调系统的冷凝器影响着车辆的舒适性能，对发动机冷却系统和空调系统进行耦合分析是十分必要而有意义的。 本文总结并对比分析了当前汽车动力舱多热力系统模型和研究方法，提出了对系统中各部件CFD模拟的具体原理和方法，对动力舱内进行了气动散热过程的热流动变化分析，给出了针对回流现象的改进意见。最后对散热器与冷凝器进行耦合分析，并提出了发动机冷却系统散热器和空调系统冷凝器的衡量与分析方法，对车辆动力舱的气动性能进行了分析，并对散热器与冷凝器的几何关联性对耦合系统的影响进行了研究。 总结归纳汽车热管理相关技术和研究工作进展，着重论述动力舱热流动分析领域的发展现状和进步，指明动力舱热分析中的模型建立、数值模拟和计算方法等，其中包括一维分析、三维分析以及集总参数分析等。通过对CFD基本模型分析方法进行研究和探讨，为进一步推进汽车热管理分析平台发展提供支持和帮助。 为保证动力舱实际结构特征和计算精度及效率，对动力舱的实际结构进行简化处理，并在网格最优化的基础上，采用多孔介质模型模拟冷凝器、散热器的阻力特性，采用换热器（heat-exchanger）模型中的传热单元数（number of transferunits，NTU）模型模拟其热特性，对舱内流动的动力源——冷却风扇采用MRF（Multiple Reference Frame）模型模拟其旋转效应。对动力舱内的其他主要部件如发动机、排气管等，采取给定热流密度或体积热源的方式实现了对其热边界的处理。并将模拟计算的结果与试验值进行了对比，验证了模型的正确性。 对怠速、爬坡和高速三种典型工况下的动力舱热流动变化特性分别进行了分析，结果表明，怠速工况下的舱内流动和热状况最差，在冷凝器和散热器前有大量的回流现象存在。为此，对怠速状态下的回流状态做了弱化分析，加入导流板和密封板。改进后回流现象得到了有效控制，特征面的平均温度均有明显下降，达到了设计要求。爬坡和高速工况下动力舱内回流较少，流动和热状态相对较好。 对发动机冷却系统散热器和空调系统冷凝器进行了耦合分析，提出了散热器衡量指标——冷却常数分析指标K值，冷凝器衡量指标——冷凝器出口面特征点的平均温度，并用这两个衡量指标分析了怠速、爬坡和高速工况下散热器和冷凝器的工作状态。分析了车辆气动特性，以及冷凝器相对于散热器的纵向和横向位置变化对于耦合传热状态的影响。指出了耦合分析对动力舱冷却过程分析的重要作用。