1.前言

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

此外，發動機艙溫度過高，氣流流動和散熱不良會直接影響發動機冷卻系統的性能，而這對于燃料電池組的性能和安全更是至關重要的。隨著計算流體動力學(CFD)技術的發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用于發動機艙的設計和研究中[1][2][3]?；贑FD的數值模擬全面而詳細的冷卻氣流在發動機艙內的流動和換熱過程，得到流速、流態、換熱量和各表面溫度等詳盡參數，為發動機艙的設計和優化提供的有力參考和驗證。

上海汽車股份有限公司技術中心在新車研發過程中，大量使用CFD模擬計算，為設計提供有力的支持。針對燃料電池轎車的開發，我技術中心采用新的大型CFD軟件STAR-CCM+進行發動機艙的全尺寸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，其發動機艙內電堆的表面溫度高達80℃，這就對發動機艙內散熱提出很高的要求。在計算中，我們采用了最惡劣的工況，即環境溫度為43℃，這導致發動機艙內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：發動機艙內部復雜的流動結構模型;計算時邊界條件的獲得;龐大的計算網格;極端邊界條件對求解器收斂性的挑戰;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，在較短的時間內完成全部模擬計算，取得了滿意的結果。這些結果對研究發動機艙內的流動換熱情況，指導工程設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軟件在汽車發動機艙設計中的實用價值。

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，通過計算得到發動機前艙內部的溫度分布和各主要部件的表面溫度值，以此作為考察內部部件布置的依據;找出艙內溫度極高點的位置，進行優化設計。

第二，通過計算得到發動機前艙內部的壓力分布和速度分布情況，以此來考察內部流場的流動特征，對發動機艙內各部件的布置情況給出適當的建議。

下圖展示了計算域的情況：

圖1發動機艙內部部件

圖2數值模擬計算域

3.計算模型與數值方法

計算采用標準的“N-S方程組”的迭代求解方式，給定初場，然后通過聯立求解每個網格單元上的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系采用SIMPLE算法，此算法早已得到計算業界的廣泛認可。在計算中考慮N-S方程組中的連續性方程、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

風扇是發動機艙流場的動力源之一，其性能直接影響發動機艙內流場的流態和換熱效果。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據為基礎，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關系，從而簡化計算。

在計算中，高溫散熱器、低溫散熱器和空調冷凝器均采用了多孔介質的計算模型。在多孔介質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構體積，從而簡化模型。其空氣流動阻力同空氣流速的變化關系由試驗得到的曲線給定。

5.計算網格

STAR-CCM+具有強大的網格能力，其蜂窩狀網格更是它的特色。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化為很多小面來構成幾何表面。使用具有相適應特征的網格有助于顯著提高解題的精度、計算的收斂性和穩定性。Starccm+中可以生成四面體或多面體網格，且可以生成邊界層網格。在此次分析中采用了四面體和邊界層網格，網格數為3,507,025，節點數為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、低溫散熱器和空調冷凝器均采用了多孔介質的計算模型。

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關系。

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

7.計算結果與分析

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據，也很好的顯示了發動機艙內的流動、換熱的細節，為我們詳細研究艙內情況，對一些部件進行局部的調整，提供了直觀而明確的指導。這對于優化發動機艙的布置，提高冷卻系統效能具有相當實際的指導意義。

8.結論

通過分析發動機前艙散熱性能的計算結果，得出如下結論和建議：

通過數值計算的手段，可以對發動機艙內的流動換熱現象進行詳細而準確的描述，對尋找發動機艙內結構的合理性以及優化其中的流動換熱效果具有指導性意義。

系統散熱性能基本達到穩定狀態，但在散熱器的局部位置存在流動的死區，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。

在環境溫度43攝氏度下，發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，遠離熱源的區域溫度分布在40~50攝氏度之間，散熱效果比較合理。

發動機罩在突起部分的兩側，溫度值偏高，應引起注意。