Flowmaster汽车整车热管理系统应用案例

1、概述

计算机仿真日益成为汽车制造厂商进行新产品研发的有效手段,尤其是在汽车整车热管理系统方面,计算机仿真的高效率与准确性更是为设计人员节省了大量的时间和研发成本,为产品的早日定型提供强有力的支持。计算机仿真也能够帮助设计人员更好地理解和认识汽车的整车热管理系统的整体性能及各部件之间的匹配性和相互影响,而不是仅仅从单个元件的角度进行研究。与此同时,研究人员也可以利用计算机仿真对比不同生产厂商的产品性能。作为全球范围内领先的流体系统仿真平台,Flowmaster在汽车整车热管理系统方面的应用非常成熟,用户涵盖几乎所有大型的欧美汽车生产企业。其图形化的建模、仿真、后处理界面以及丰富全面的数据库可以满足汽车整车热管理系统各种复杂工况的仿真需求,成为各大汽车厂商的得力助手。

2、整车热管理系统应用

整车热管理系统包含有多个子系统,如空气侧、发动机冷却、润滑、供输油系统等等,通过Flowmaster仿真分析,不仅可以获得每个系统的运行,而且可以考察个系统之间的相互影响及整车性能。

1整车热管理系统Flowmasster模型

图1所示的整车热管理系统Flowmaster模型中包含以下几部分:

空气侧——从引擎盖下进入到汽车的环境气流是带走发动机产热的主要冷媒。从入口格栅进入到冷凝器的气流首先从车舱空调系统带走一部分热量,然后又从散热器、发动机体及其他发热部件带走一部分热量,最终从汽车底部排出。对于空气侧的模拟,散热器、发动机等主要部件的换热模拟至关重要,Flowmaster提供了种类丰富的各种换热器元件供调用,这些换热器元件既可以是基于几何的(根据几何特征参数自动推算其换热特性),也可以是基于换热参数的(直接定义换热效率、换热系数等参数的函数关系式),此外,Flowmaster还可以考虑各个换热器之间的相对位置对各换热器换热特性的影响。图2所示的便是散热器的换热效率对气流质量流量以及冷却剂质量流量的特性曲面。


2散热器换热效率特性曲面

冷却系统——冷却系统是将发动机产热排出的主要机构,主要包含冷却水泵、旁通阀、冷却通道、节温器、热控阀、发动机体以及用来将发动机产热排出的换热器等。节温器通过控制大小循环间的切换,使得发动机在适当的温度范围内工作,如在寒冷的环境下,节温器保持关闭以保证发动机能迅速地暖起,在炎热的环境下,节温器开启以使得发动机产热能被散热器带走。Flowmaster的瞬态模拟也可以精确地预测节温器的暖起时间、冷却液温度等。图3所示为节温器的开度随运行温度的特性曲线。


3节温器特性曲线

润滑系统——用来润滑和冷却发动机内的旋转和运动部件,在润滑过程中,摩擦产生的热量被加入到润滑油中,因此,集聚的热量必须通过油冷器以及底盘下的气流带走。构成润滑系统的部件包括油泵、油箱、输油管道、过滤器以及各类轴承和齿轮等。

发动机体——在发动机运行过程中,燃油产热、摩擦、机械能损失等因素均会产生热量,发动机的性能对整车热管理系统的影响也非常大,除了要考虑发动机的散热效能以及流动损失之外,发动机体本身的蓄能效应也是需要考虑的。

完整的整车热管理系统包含以上所有这些机构,并在计算中考虑到不同机构之间的相互影响。图4所示为散热器温度Flowmaster计算结果与实验值对比。


4散热器温度计算结果与实验值对比

3、结论

Flowmaster作为汽车行业研发领域领先的辅助设计与分析工具,具有汽车整车热管理系统的仿真分析能力,其快速精确的求解功能,能够很方便地帮助工程师对比分析不同的设计方案,从而指导最终方案的优化与确认,最终实现新产品开发周期的缩短与成本节约。