动力舱热管理系统关键部件建模仿真方法研究

随着汽车工业的不断发展,车辆对热管理系统不断提出更高更复杂的散热需求。应用数值仿真方法对动力舱内的流动换热进行分析是动力舱热管理系统优化的常用手段。其中,换热器和冷却风扇是热管理系统中最关键的部件,同时也是动力舱内建模与仿真的难点。为了进一步提高动力舱内流动换热仿真的精确度与计算效率,本文对换热器和冷却风扇的建模与仿真方法进行研究,针对动力舱内的流动换热仿真,提出了一些针对换热器和冷却风扇的建模方法与仿真策略,可以在进行动力舱内的流动换热数值计算时对换热器与冷却风扇的建模仿真起到一定的指导作用。本文所研究的主要内容包括:1)提出了换热器特性参数的两种获取方法第一种方法根据原始尺寸换热器风洞试验数据计算变尺寸换热器特性参数。该方法首先根据阻力系数公式与范宁摩擦因子试验关联式推导出换热器风阻特性计算公式,然后通过MATLAB建立二维数值模型以计算传热特性。经过验证,通过这种计算方法所得到的风阻最大误差为-4.5%,热流量最大误差为2.2%。这种计算方法可以为变尺寸换热器提供一种可靠且便捷的换热器特性参数获取方法。第二种方法通过对换热器微观单元的流动与共轭传热进行数值仿真,直接提取换热器的流动与换热特性参数。经过验证,通过这种计算方法所得到的风阻最大误差为-1.5%,热流量最大误差为-6.6%。这种计算方法可以在没有条件进行试验的情况下得到相对准确的换热器特性参数。2)构建了一种适用于气侧翅片通道的壁面函数(IBWF)在通过数值计算获取换热器特性参数的方法中,针对换热器微观单元的流动与共轭传热数值仿真,构建了一种适用于气侧翅片通道的壁面函数(IBWF),通过引入混合系数与压力梯度影响系数,改善了标准壁面函数对线性律和对数律的不良过渡,弥补了标准壁面函数没有考虑压力梯度影响的缺陷,提高了散热器单元数值仿真的计算精确度与效率。与标准壁面函数相比,IBWF将风阻计算的最大误差从-10.9%缩小到了-1.5%,将热流量计算的误差从-19.4%缩小到了-6.5%,而且节省了一半以上的求解时间,为换热器单元数值计算提供了一种更加经济可靠的近壁处理方法。3)动力舱内换热器模块的物理等效建模方法研究简单有效度模型可以考虑常用的e-NTU模型无法计算的相变情况。其基于每个控制体单元的换热量仿真换热器总换热量,计算精度依赖控制体单元有效度的准确取值。本文通过对简单有效度模型的建模理论进行分析发现,该模型以换热器整体有效度与冷侧流体流动方向上网格层数的商代替控制体单元有效度计算热流量,会对计算结果引入误差。针对该问题,本文使用MATLAB建立控制体单元有效度的二维算法,得到更符合实际的控制体单元有效度,参与控制体单元的换热量计算,构建了“修正有效度模型”。为了验证修正有效度模型的有效性,对已知换热器进行仿真计算,并与测量结果、简单有效度模型及ε-NTU法模拟结果进行比较,结果显示,与简单有效度模型相比,修正有效度模型将换热器热流量的计算误差缩小了 20.3%。其计算精度接近常用的ε-NTU模型,满足工程计算的精确度要求。4)基于MRF方法的冷却风扇仿真策略和误差补偿研究本文基于不同的MRF分区方案,在宽流速范围对一款工程机械冷却风扇进行了数值计算。结果显示:当MRF动静交界面上流动不均匀时,风扇静压结果较试验值偏低。MRF分区过程中应尽量避免交界面上的非均匀流动。在模拟结果的基础上,本文提出了一种MRF交界面误差修正方法。通过对MRF交界面内外包络面的全压升作差,计算由MRF交界面引起的非物理性全压变化。然后,通过添加轴向动量源项补偿MRF模型在交界面上的数值误差。修正后,MRF模型计算精度在不同分区策略和不同流量下均得到不同程度的提高,其绝对误差最大值由修正前的-324 Pa减小到了-116 Pa。5)三维风扇区域模型仿真冷却风扇的应用研究三维风扇区域模型与MRF模型相比,占用计算资源更少效率更高,适用于动力舱内风扇数量较多的情况。三维风扇区域模型是否可以精确地仿真风扇效应主要取决于作为模型边界所输入的风扇压升曲线的有效性。本文对试验风扇全压曲线的测量方法与风扇压升曲线在三维风扇区域模型边界条件中的应用方式进行了比较分析,发现两点问题。第一,三维风扇区域模型中对区域流量的定义方式和风扇全压曲线测试时流量定义方式有区别;第二,三维风扇区域模型在使用试验风扇全压曲线时重复考虑了系统压损影响。以上两点问题都会引入风扇效应的模拟误差。为了修正该误差,本文提出一种基于试验风扇全压曲线推求三维风扇区域模型输入参数的PtFIC方法。通过补偿试验风扇全压曲线中与三维风扇区域模型存在的流量差异和重复计入的系统压损,使作为模型边界输入的风扇压升曲线适用于三维风扇区域模型。对三维风扇区域模型输入PtFIC法所得风扇压升曲线,与直接输入试验风扇全压曲线比较,风扇全压的计算误差从282.6 Pa减小到了 0.7 Pa,PtFIC法的有效性得到验证。