车辆热管理冷却模块风速的测量与分析方法

车辆热管理冷却模块风速的测量与分析方法

徐鹏辉1,郭红艳2,朱彩丽1

（1.武汉路特斯汽车有限公司；2.浙江极氪智能科技有限公司）

摘要：在整车热管理的开发中，为分析前舱进气量对动力总成散热和空调性能的影响，需要准确获取车辆机舱冷却模块表面风速分布与大小，本文以散热器为例提出一种基于三维CFD仿真分析与MATLAB的表面风速测定与分析方法。建立三维整车热管理CFD仿真模型得出表面平均风速、特征点风速和风速分布。根据特征点的风速测量与仿真结果校验，利用Matlab软件重构车辆冷却模块表面风速分布与仿真结果吻合度高，从而准确求解表面平均风速试验分析值与仿真结果一致，验证了该方法在整车热管理开发中工程应用可行性。

关键词：CFD；MATLAB；冷却模块；风速；热管理

TheMeasurementandanalysismethodof AirflowRateofVehicleCoolingModule

Abstract：In the development of vehicle thermal management, in order to analyze the impact of the amount of front cabin air intake on the heat dissipation and air conditioning performance of the powertrain, it is necessary to accurately obtain the surface wind speed distribution and size of the vehicle cabin cooling module. In this paper, a surface wind speed measurement and analysis method based on three-dimensional CFD simulation analysis and MATLAB is proposed, taking the radiator as an example. A three-dimensional vehicle thermal management CFD simulation model is established to obtain the surface average wind speed, characteristic point wind speed, and wind speed distribution. The accuracy of the surface wind speed distribution measurement and simulation results is verified based on the characteristic point wind speed measurement and simulation results, and the Matlab software is used to reconstruct the distribution to match the simulation results of the vehicle cooling module's surface wind speed. The test analysis value of the average surface wind speed is accurately obtained and consistent with the simulation results, which confirms the feasibility of this method in the engineering application of vehicle thermal management development.

Key words：CFD；MATLAB；coolingmodule；airflowrate；thermalmanagement

0引言

随着全球气候变化的加剧，国家双碳目标已经成为了全社会的共识和行动方向。在汽车行业中，新能源汽车的蓬勃发展，整车热管理系统的重要性也随之凸显。在整车热管理的开发中，正确的前端冷却模块风量对整车热管理至关重要。一般来说，机舱进风量的大小与行驶功率、车速、气温、海拔等因素有关。在高温、高海拔、高速行驶等情况下，需要增加散热进风量，以保证发动机或电机等动力总成的正常工作温度；而在低温、低海拔、低速行驶等情况下，则需要减少散热进风量，以降低风阻和提高车辆续航。车辆机舱进气设计中，冷却模块表面风速的大小和分布数据是至关重要的。这些数据对于准确评估和分析各个散热芯体的性能起着决定性作用。例如，前舱进风量标定、风扇和自动进气格栅的控制和能耗提升都需要准确的风速数据进行优化分析。同时在整车热管理冷却模块换热量校核匹配、风扇匹配验证、进气格栅开口面积投影率目标设定等，冷却模块表面风速分布与大小都是重要的数据参考。因此，为了准确获取车辆机舱冷却模块表面风速分布与大小。本文提出了一种基于三维CFD仿真分析与MATLAB的表面风速测定与分析方法，经过试验验证具有实际的指导意义。

1 设计思路与分析方法

在整车热管理的开发中，为了准确获取车辆机舱冷却模块表面风速分布与大小，通过三维CFD仿真分析与MATLAB数据重构方法相结合可以有效消除CFD仿真误差和基于特征点测量数据有限的测量与分析问题，以散热器为例进行了设计思路与分析方法详细说明。

首先，建立了整车热管理的三维CFD仿真模型，通过仿真得出了散热器表面平均风速、特征点风速和风速分布等关键参数。然后利用叶轮风速计通过实验测量特征点的风速，并将特征点的测量结果与仿真结果进行校验，以验证仿真模型的准确性。再利用Matlab软件重构车辆冷却模块表面风速分布，并将风速云图重构结果与仿真结果进行二次比较。最终可以输出风速分布云图与表面平均风速值等。实施步骤逻辑框图如下：

图 1冷却模块风速的测量与分析方法实施步骤框图

2 整车机舱进气三维CFD仿真模型建立

以车型CAD数据为基础，利用三维仿真与计算软件Star CCM+，建立整车机舱进气三维CFD仿真模型，计算出发动机舱三维流场分布,如图2所示，进而得到散热器表面风速分布与平均值。

为了获取和试验相同且准确的仿真结果，仿真分析按照标准风洞试验室空间尺寸建立计算区域。首先，整车三维几何数据处理，通过包面获取封闭计算区域，然后采用局部网格加密等生成体网格用于数值求解.

仿真边界设定：计算区域采用速度入口、压力出口边界，设定环境温度25℃，前端冷却模块散热器与冷凝器采用多孔介质模型模拟风侧流动阻力；冷却风扇采用MBR多重参考坐标设定风扇转速。

仿真工况主要针对车速0km/h、50 km/h、70 km/h、100 km/h、200 km/h五个工况进行分析，最终得出对应散热器表面风速分布云图与平均风速。本文以50km/h工况为例进行介绍，风速分布如图3所示

图 2发动机舱内三维流场分布图

图 3 50km/h工况散热器表面风速分布

3车辆冷却模块的风速测定与验证

3.1车辆冷却模块特征位置的风速测定

为了准确获取散热器表面风速，采用叶轮式风速传感器进行测量，基于CFD仿真计算的表面风速分布计算结果，定义关键特征位置的风速测点如图3、图4所示布置的12个风速传感器。试验车辆置于转鼓环境舱中，分别测定车速0km/h、50 km/h、70 km/h、100 km/h、200 km/h工况，与仿真工况对应，测定并记录每一个稳定车速下，对应风速传感器的风速值。

图 4 散热器表面风速计布置图

3.2利用MATLAB重构风速分布云图

根据每组工况记录的12个风速传感器的数值，利用matlab的ployfit数据拟合工具基于特征点数进行表面空间拟合，默认散热器尺寸边界的风速为0，得出的数值表面如图5所示。

图 5 matlab重构的散热器表面风速云图

3.3 风速平均值分析

    根据试验数据matlab重构的散热表面风速云图，可以快速算出对应不同车速下的散热器表面风速平均值，并与仿真值进行对比，如图6所示，对比误差控制在5%左右，如图7所示，试验与仿真结果吻合度高，验证了改方法的有效性，能够满足工程开发要求。

图 6 不同车速散热器表面风速仿真与试验对比图

图 7不同车速散热器表面风速仿真与试验误差分布图

4结论

本文对某车型散热器为例提出一种CFD仿真与MATLAB相结合的车辆散热器表面风速测定与分析方法。散热器风速测量的试验分析值与仿真结果进行了对比，误差控制在5%左右能够满足试验开发与验证的测试要求。基于改准确的风速测定方法，可以快速获取不同车速、风扇转速与主动格栅开度下的组合工况下的散热器表面风速，使得整车热管理工程开发可有有效用于主动进气格栅与冷却风扇控制策略的风速标定的有效试验手段，同时也提供了动态评估散热器性能和能耗优化提升的评价的风速数据试验支持，在实际开发中，一种是行之有效的整车热管理开发中风速测试手段，具有试验开发与验证的实际指导意义。

参考文献

[1] 于莹潇，袁兆成，田佳林，马家义. 现代汽车热管理系统研究进展[C].汽车技术，2009（8），1-6；

[2] 林铁平，林卉，戴澎凯. 汽车前端冷却模块空气侧热流场仿真与试验研究[C].汽车工程学报，2014（4），384-390；

[3] 张兆顺，崔桂香. 流体力学（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2015

[4] 王贵财，李永锋，张建华. Matlab从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2019