基于FLOWMASTER2的车辆热系统建模

JasonBurke和JesseHaws

Flowmaster美国公司

摘要

这项工作的目的是将最先进的计算机建模技术用于开发基于组件的车辆热管理系统数学模型。一个完整的系统包括各种模型组成子系统。要讨论的子系统包括车辆的换气系统，冷却系统，发动机燃油系统，自动变速箱滑油系统和发动机缸体。整个系统将是一个拥有完善的网络连接和互动的子系统，并将对车辆进行建模，计算换热性能。本文将详细讨论在天气“炎热”的情况下，公共汽车的暖机情况并将分析结果与实验结果进行比较。

介绍

计算机模拟正在迅速成为汽车全球制造商设计周期的一部分。车辆热管理系统设计过程通过电脑仿真降低了设计周期时间和成本。此模型能够在几种不同的设计和条件变化情况下很迅速完成车辆测试，以往这是十分耗时和昂贵的，同时使得工程师能够设计出更完善的产品。

模拟计算也可以提高工程师对的车辆热管理系统和涉及不同子系统的相互作用的理解。当设计师想了解他们亲自参与设计的组件的表现时，往往难以收集那些零件在组装完成并与其他系统互相影响时的工作情况。

这些子系统之间交互影响系统分析允许工程师模拟各种条件（不同的环境条件和不同的系统设计），而不需要构建和测试不同的设计（节省时间和金钱）。同时系统分析也为工程师提供了比较来自竞争对手的制造商产品的方法，允许工程师比较性能和成本。这些有点导致更完善的设计，同时缩短设计周期时间成本。

在这篇文章中，使用市售的FLOWMASTER2reg;软件构建和分析了一个完整的车辆换热系统数学模型，同时阐述了建模技术。

FLOWMASTER2程序-应用最广泛的车辆换热系统商业模拟软件就是Flowmaster国际的FLOWMASTER2。FLOWMASTER2对于所有大部分的美国和欧洲的汽车、卡车和公共汽车制造商和在这方面有很大的影响的环太平洋厂商来说都是首选的汽车行业的系统分析软件。

FLOWMASTER2是一维流体流动分析程序并允许工程师进行图形化建模完整的流体系统来预测压力，温度和其系统中的流体流动分布。FLOWMASTER2的理论基础是建立在经验上的相关性以及质量，动量和能量分析方程。一个完善的数据库是可以通过组件描述一个系统，如：管道，泵，换热器，阀门等。此外，用户可以进入数据库修改它的组件性能特点。

系统组成

这篇文章中间将的车辆热系统看作如图1所示。

图1 理想发动机的预热网络

这个网络是不同散热量的车辆子系统集合。 构成这个网络的子系统包括车辆的气体冷却系统，液体冷却系统，发动机机油系统，自动变速箱滑油系统和发动机本身。

气流 - 气流进入汽车底罩的是其排除发动机热量的主要手段。 如图所示在图2中，空气主要通过两个进入系统路径并吸收热量。 第一条路径是通过格栅。 这个冷却组件由a / c冷凝器，散热器和风扇组成。 在这个模型，整个a / c系统不是模仿它对空气子系统的影响。 随着空气流过格栅进入冷凝器，冷凝器加热空气a / c打开。 然后加热的空气流过吸收来自冷却剂的热量的散热器然后流过发动机和其他发动机罩下部件。从这里，空气可以在车辆下方流动并从后方离开。

图2 格栅和冷却水箱模型

在这个系统中，整个a / c系统没有建模。相反，冷凝器以空气为边界条件建模。在FLOWMASTER2中，冷凝器被模拟为温度源，温度是冷凝器（其金属的温度）温度。 FLOWMSATER2具有建立完整的a / c系统能力，但建立整个系统在这种情况是办不到的。

在气流子系统中的主要散热部件是散热器，虽然气流会吸收发动机以及油盘和变速器油底壳散发的热量。 在FLOWMASTER2中有几种不同模型可以代表散热器。应该选择哪一个模型取决于性能数据，工程师从散热器的分析结果中可以看出。最简单的表示方式是FLOWMASTER2中的散热器组件。 它是一个集中参数组件，其数据通常来自散热器制成品。 将散热器建模为集总参数允许传热的有效性使用表面图定义散热器（三维空气侧和冷却剂侧质量流的尺寸图）速率与有效性（如图3所示）。

图3：散热器效率曲面图

散热器的热性能可以通过每单位正面面积的热流量（瓦特/开尔文/ m2）作为冷却剂质量流量（kg / s）和每单位正面面积的空气质量流量的函数来定义 （kg / s / m2）。

代表散热器的第二种方法是使用成对的FLOWMASTER2的热桥。 使用热桥有两个好处：输入数据详细和建模能力。 热桥的输入数据由横截面积，表面积，损耗系数和传热系数组成。 传热系数可以作为常数输入，也可以作为雷诺数同故宫函数输入。 制造商通常可以提供空气传热的j因子曲线。 该数据可以以下等式转换为传热系数。

j-factor=St*Pr (1)

St=Nu/Re*Pr (2)

Nu=hL/k (3)

h=Nu*k/L (4)

Dittus Bolter Nusselt Number相关性可用于定义冷却剂热桥的传热系数。这种关系内置在热桥组件中。 相互关系呈以下形式：

Nu=aRe^bPr^c

可以改变系数（a，b和c）以匹配组件的性能。在大多数情况下，默认值提供了良好的结果（a = 0.023，b = 0.08＆c = 0.3）。 对于该模型，使用热桥来表示散热器。

采用新的热交换器组件将上述热传递相关性与单个组件中的测试数据相结合。 流动路径的离散化还允许对不均匀的气流分布建模，如图4所示。用户可以在热交换器部分重叠的冷却组件建模中采用该组件。

图4 换热器速度曲线

第二条通道在车下。 当车辆移动时，来自车辆下方的空气通过离开发动机罩下方的空气通道，并且流过油和在该过程中冷却油的变速箱。 当车辆静止时，离开发动机舱的空气可以再循环回到冷却组件重新加热空气并降低其冷却能力。

驱动散热器气流流动的风扇也需要在模型中考虑（图2）。 他们的表现由扬程与流速曲线定义。 使用扬程代替压力来解决空气密度随温度的变化。 它们的操作由发动机转速或空气温度通过计算机控制的电力驱动来控制。

车辆的乘客加热器（图5）是需要考虑的另一个气流路径。 这条道路由乘客打开和关闭，用于气候控制目的。 对于该路径，空气吸收来自冷却剂回路的热量并加热车辆乘客舱。

图5 客舱气流路径

车辆加热器使用与FLOWMASTER2相同的规则和组件对散热器进行建模。 在该模型中，加热器也使用成对的热桥进行建模。 在FLOWMASTER2中，将舱室模型简化为使用离散损耗分量来估算温度变化的体积。 由于a / c系统没有建模，所以仅适用于这种情况下的客舱加热。

冷却系统 - 冷却液是发动机产生的热量被吸收并转移到空气中的主要系统。 如图6所示，该系统包括以下内容：水泵，旁路，发动机冷却液通道，节温器，机舱加热器，加热器控制阀和用于发动机和变速器油的各种热交换器。 水泵为冷却液循环提供动力。 然后，冷却剂通过软管和内部通道在组件之间流动。

图6 冷却液回路

节温器以及换热器控制阀通过改变系统对泵的阻力来控制通过系统的流量。 关闭的阀门通过旁路和散热器重新定向更多的冷却剂，而打开的阀门允许冷却剂流过换热器核心。

节温器的主要功能是将发动机保持在最佳温度范围。 对于寒冷的天气，它保持关闭，使发动机能够快速预热。 温暖的天气，恒温器打开，允许散热器的空气吸收发动机产生的热量，冷却车辆。 其主要输入是其开口温度特性曲线（图7）。

图7 节温器升程曲线

FLOWMASTER2还模拟了恒温器的滞后效应：当温度下降时，与温度升高时不同的表现。 现代恒温器是单一或双作用。 单作用恒温器控制通过散热器路径的流量，而双作用恒温器也控制通过水泵旁路的流量。

使用零件的组合来对恒温器建模，由阀门和节温器控制器组成。 节温器升程曲线和滞后被分配给将根据系统打开/关闭阀门的恒温器控制器条件。 FLOWMASTER2组件的这种组合使工程师能够灵活地对传统蜡型恒温器或更先进的“数字”恒温器进行建模。

冷却系统中的热交换器包括变速箱油冷却器，散热器，客舱加热器和发动机的内部通道。 发动机和变速器油冷却器用于吸收对应油的热量。 从这些油冷却器或发动机吸收的热量的冷却液然后可以运行到散热器或加热器。 散热器用于将热量从冷却剂转移到空气中以便从车辆排出。 加热器用于将热量传递到用于气温控制的舱室空气中。 该模型中的所有不同热交换器都用FLOWMASTER2中的热桥组件表示。

发动机油系统 - 发动机润滑系统使用油润滑和冷却发动机中的旋转和移动部件。 在润滑期间，摩擦损失作为热量传递到油中。 当车辆移动时，热量通过油冷却器和底盘气流从发动机油转移到油底壳冷却。

图8 发动机油润滑回路

组成滑油系统的部件是泵，双臂油箱，管道，过滤器和用于油冷却器的热桥和来自发动机的热量。 而不是详细地对发动机的油系统进行建模（曲柄轴，轴承等），计算发动机所排出的热量的总和。 发动机拒绝冷却液和油的热量取决于发动机的经验数据。 如果为尚未建造的发动机和车辆构建VTMS模型，则发动机的数据通常可以基于类似的发动机数据。

发动机模型 - 由于燃料能量损失和发动机摩擦损失，在发动机中产生热量。 热量被排放到冷却液，发动机机油和发动机的机体上。 发动机系统如图9所示

通过网络传导，热量传递到油润滑回路和冷却液回路。 通过热桥将热量从发动机排放到不同的流体。 为了解释瞬态分析中的热惯性效应，使用点质量来建模发动机的热容，以表示发动机的不同部分（气缸盖，气缸盖等）。 使用FLOWMASTER2中的热源对发动机排出的热量进行建模。 发动机控制器连接到热源，这些热源基于几个不同的因素：车速，发动机转速，发动机扭矩和变速器齿轮。

图9 发动机缸体

自动变速器液压系统变速器（图10）主要以两种方式排出热量。 第一种排热的形式是来自运动轴和齿轮的润滑和冷却，这是传动速度，扭矩和,齿轮的函数。 第二种排热的形式是排出由变矩器产生的热量，这是发动机转速，传动速度和扭矩的函数。 目前，这些数据主要来自实验测试。 单个泵通过变速箱和ATF热交换器驱动流体。 传动系统产生的热量被油冷却器和通过传输油底壳的空气中的空气排出。

图10 传动系统润滑油路

构成传动系统油路的部件和发动机系统相同。 热量通过受控的热源从变速器和变矩器中排出，并通过实心杆传导到将热量传递给传动液体的热桥。 流体系统由泵，阀门，管道，储存器和热桥构成。

结果

冷却循环和散热器结果：该模型的一个重要方面是测试冷却系统的性能。 监控进出冷却器的冷却液温度是收集数据的常用手段。 图11比较了该FLOWMASTER2模型与在车辆上收集的测试数据的结果。

图11 换热器温度vs时间

FLOWMASTER2预测散热器的温度在5-10ordm;C以内。 根据测试数据，离开散热器的底部油箱的冷却液温度最初从较低的温度开始，然后在顶部罐中开始升温。 这与仿真数据显示不同。模拟发动机在零点关闭，这说明在散热器模拟开始时没有温度差。 测试数据开始时的温差意味着测试车辆在测试之前不处于稳定状态或在开始数据收集之前已经运行。

图12 FLOWMASTER2中节温器升程曲线

冷却循环和散热器结果：恒温器的性能可以在图12中看到。从图8中可以看出，当冷却剂达到一定温度时，恒温器将激活; 直到那时，冷却剂将流过旁路而不是散热器。 随着冷却剂温度升高超过阈值，恒温器稳定地打开，使得冷却液流过散热器并将热量排放到气流中。

图13显示了冷却剂在流过散热器时的温度变化。 冷却液直到恒温器打开才开始冷却。 当发动机达到稳态条件（见图14）时，散热器两侧的冷却液温度也达到稳态。

图13 散热器温度变化

散热器中的空气温度变化可以在图13中看到。与冷却液一样，直到恒温器打开，空气温度不会改变。 一旦发生这种情况，将热量加到空气中，空气温度会在穿过散热器时升高。 气流以及冷却液的温度变化都取决于气流和冷却剂的热容量。

图14 发动机出口冷却液温度

发动机润滑油结果：随着发动机变暖，油底壳中油的温度升高可以在图15中看到，同时也是油冷却器的温度。

根据分析，油温在分析时间内未达到稳定状态; 因此需要更长的分析时间来获得发动机机油系统的完整瞬态分析。 FLOWMASTER2预测油底壳（油底壳）温度在5ordm;C以内。FLOWMASTER2不能准确地预测油冷却器内外的油温。

系统仿真的好处很明显。 系统仿真的缺点是需要准确的性能数据。 通常所需数据不容易收集或获取; 因此需要做出假设或估计。 对于该模型，没有大量可用于油系统的数据，导致该模型无法准确预测系统的性能。

模型的大小取决于这个模型的目的。 如果该模型的目的是检查滑油系统的冷却性能，则该模型将需要更多的数据，并且需要更多的时间来花费收集和生成数据，通过联系供应商，收集更多的测试数据或通过其他类型的 计算机模拟（CFD或FEA分析）。 在这种情况下，分析的目的是检查冷却系统的冷却性能。

其他子系统的建模将影响冷却系统。如果一个子系统没有精确建模，其对冷却系统的影响取决于冷却

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