發(fā)布時(shí)間：2017-12-02 20:26

  本文關(guān)鍵詞：基于雙場(chǎng)耦合的反置發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱研究

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【摘要】：隨著高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)和眾多汽車新技術(shù)、新系統(tǒng)的不斷應(yīng)用,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱負(fù)荷日益增大而空間更加擁擠,導(dǎo)致散熱不足、局部高溫烘烤等問(wèn)題頻頻出現(xiàn),影響汽車的運(yùn)行可靠性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性�；贑FD仿真對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行分析與改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化散熱,是解決上述問(wèn)題的重要方法,但目前的流場(chǎng)強(qiáng)化散熱未考慮空氣速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)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(dòng)機(jī),簡(jiǎn)稱反置發(fā)動(dòng)機(jī),具有燃燒充分和重心低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛出現(xiàn)于商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi),然而,該發(fā)動(dòng)機(jī)布局方式使得空氣難以到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)后方的排氣歧管,導(dǎo)致排氣歧管散熱困難,該問(wèn)題已成為反置發(fā)動(dòng)機(jī)汽車熱管理的技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)此,以某款反置發(fā)動(dòng)機(jī)汽車為研究對(duì)象,開(kāi)展了基于雙場(chǎng)耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱方法研究,具體研究工作如下:(1)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱特性實(shí)車實(shí)驗(yàn)。在分析反置發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和散熱原理的基礎(chǔ)上,參考GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》,設(shè)計(jì)了多工況發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱特性的實(shí)車實(shí)驗(yàn),監(jiān)測(cè)艙內(nèi)16個(gè)位置點(diǎn)的溫度和散熱器熱流體入口溫度,并通過(guò)多工況的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析,確定散熱惡劣工況,所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論為艙內(nèi)流場(chǎng)散熱的CFD仿真分析奠定基礎(chǔ)。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)與散熱特性的CFD仿真分析。首先,在邊界層動(dòng)量方程中保留壓強(qiáng)梯度源項(xiàng),以Prandtl湍流混合長(zhǎng)度理論封閉湍流應(yīng)力,并將標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)作為無(wú)壓強(qiáng)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(qiáng)梯度的改進(jìn)壁面函數(shù)(MWF),并通過(guò)后臺(tái)階分離流和國(guó)際MIRA階梯背車模背部分離流動(dòng)的計(jì)算,驗(yàn)證MWF的計(jì)算可靠性。然后,對(duì)多個(gè)實(shí)車實(shí)驗(yàn)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真,其中邊界層計(jì)算采用改進(jìn)壁面函數(shù),基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果驗(yàn)證后,分析惡劣工況下艙內(nèi)空氣流動(dòng)與散熱特性,以探明原車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱不足和局部高溫的成因。(3)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱原理研究�；谏崞魃嵩�,采用分布參數(shù)法建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)中散熱器的散熱功率模型,并運(yùn)用無(wú)量綱化方法分析迎風(fēng)面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)散熱器散熱的耦合影響機(jī)理,獲得了量化速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合影響的雙場(chǎng)耦合系數(shù);基于雙場(chǎng)耦合系數(shù)極大值條件,提出了散熱器強(qiáng)化散熱的迎風(fēng)面空氣速度與冷熱流體溫差“大小”對(duì)稱雙場(chǎng)耦合原則,并基于此,推導(dǎo)迎風(fēng)面速度沿?zé)崃黧w流動(dòng)方向降低的優(yōu)化分布規(guī)律,通過(guò)仿真驗(yàn)證了該速度優(yōu)化分布規(guī)律的有效性。同時(shí),基于對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論,研究了非散熱器高溫部件強(qiáng)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(duì)流換熱下的流體溫度場(chǎng)分布特征,提出了非散熱器高溫部件雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱的入流空氣速度的“輻射狀”優(yōu)化方向,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該“輻射狀”優(yōu)化方向的有效性。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)研究。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端散熱器散熱不足問(wèn)題,基于上述散熱器強(qiáng)化散熱的“大小”對(duì)稱雙場(chǎng)耦合原則和速度優(yōu)化分布規(guī)律,進(jìn)一步分析了散熱器迎風(fēng)面流場(chǎng)的不合理性;基于此,研究前端可調(diào)結(jié)構(gòu)(柵條布置方式、格柵輪廓形狀、“R-F-E”的位置關(guān)系)和散熱器導(dǎo)流罩對(duì)散熱器迎風(fēng)面流場(chǎng)及其散熱性能的影響規(guī)律,基于改善散熱器迎風(fēng)面速度分布(即雙場(chǎng)耦合方式)和增加冷卻空氣流量雙目標(biāo),確定了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端流場(chǎng)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。(5)發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)研究。應(yīng)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(biāo),設(shè)計(jì)了后端流場(chǎng)強(qiáng)化散熱的5種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,通過(guò)對(duì)比分析5種方案對(duì)艙內(nèi)流動(dòng)和后端流場(chǎng)散熱的影響,確定了實(shí)現(xiàn)后端流場(chǎng)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱的“散熱器-風(fēng)扇”導(dǎo)流罩組合結(jié)構(gòu)。(6)基于雙場(chǎng)耦合的整艙內(nèi)流場(chǎng)強(qiáng)化散熱的綜合改進(jìn)結(jié)構(gòu)�；诎l(fā)動(dòng)機(jī)艙前、后端的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu),形成綜合改進(jìn)結(jié)構(gòu),并對(duì)該結(jié)構(gòu)下的艙內(nèi)空氣流動(dòng)和散熱特性與原車進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明:散熱器冷卻空氣流量增大,迎風(fēng)面雙場(chǎng)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他高溫部件的散熱良好,且整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣溫度為62℃~73℃的區(qū)域明顯減少,全艙內(nèi)流場(chǎng)散熱性能被綜合提高。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U464.13
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本文編號(hào)：1246198