[00112108]大型客车整车热处理数值仿真分析与优化设计及产业化

1 项目国内外研究开发现状 汽车热管理是从系统集成和整体角度,统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系,采用综合控制和系统管理的方法,将发动机及各个部件的冷却系统、预热与保温系统、润滑系统以及空调系统等综合集成为一个有效的热管理系统,保证关键部件及系统的安全高效运行,控制和优化热量传递过程,降低废热排放,提高能源利用效率,并减少环境污染,并在此基础上减小热管理系统的尺寸和功率消耗。 整车冷却系统一般由以下部件组成：发动机、（温控）风扇、水散热器（水箱）、中冷器、节温器、空调系统、变矩器油散热器、液压油散热器、取暖器以及相应的管路、温度传感器及仪表等。如何对所选择的冷却系统配置进行分析和评价,从而缩短新品设计开发周期,提高设计成功率,是设计师追求的目标。 本项目将利用高性能CFD软件对目标车型的整车热管理性能（包括发动机舱冷却系统热特性和客车室内热舒适性等问题）进行深入的数值模拟研究,分析当前车型热管理系统的运行效率和可靠性,考察其在极限工况下是否存在设计缺陷,进而根据数值分析结果对热管理系统进行优化设计,提高目标车型的热管理技术水平和市场竞争力。 2、项目的技术路线 （1）课题1 ：客车发动机舱冷却系统数值分析与优化设计 利用金龙公司提供的台架试验车型及其试验数据对CFD结果和数值分析方法进行校核;在此基础上,采用经过实验校核后的数值分析方法对目标车型的机舱冷却系统开展细致的数值模拟研究及优化设计工作。 （2）课题2：客车乘员舱热舒适性数值分析与优化设计 利用CFD软件,对目标车型的室内温度控制系统开展三维数值计算和分析。通过精细的数值模拟,帮助设计人员获得客车乘员舱内的全部流动和温度分布细节,追踪客车室内冷却/供暖介质（空气）与各热源/冷源（如乘员、车窗玻璃等）之间的热交换过程,从而指导并优化客车乘员舱温度控制系统的设计方案。 3、项目的主要技术关键/问题及拟采取的耦合效应 （1）冷却系统内散热器流动与传热的耦合效应 本项目将对冷却系统模型作一定的简化处理,如将散热器、中冷器、冷凝器等以多孔介质模型来进行模化处理,研究这些部件的热力学、动力学效应,但不求解这些部件内部的热力学过程和流动细节。 （2）客车内部和外部流动之间的相互作用 本项目将依托北京大学工学院南京研究院强大的并行机群,对客车内部和外部流动进行统一模拟。为了保证边界条件的有效性,必须将计算域扩展至包括车体模型在内的大范围开阔区域。计算域外部边界与车体表面间的距离通常控制在5～10倍车长范围内,并考虑路面对机舱气流和热流的影响。 （3）空调及冷却系统中风扇叶片的旋转效应 汽车冷却风扇内部为典型的存在旋转效应影响的非定常复杂旋涡湍流分离流场。来流紊动,叶片旋转效应以及由其引起的流动分离、转静干涉等多种非定常流动现象的共同作用,使得热管理冷却风扇叶片通道流动非常复杂,用数值模拟的方法进行研究也非常困难。硬件要求计算机有很高运算速度和庞大内存;从数学上来说,非定常流动数值模拟的收敛性、稳定性问题仍然需要进一步深入的研究。 在模拟风扇对机舱散热特性CFD数值模拟中,采用MRF（Moving Reference Frame）方法真实模拟高速旋转风扇对流场的加速及扰动效果。 4、项目的创新点（理论创新、应用创新、技术创新、工艺创新、结构创新等） 本项目的主要创新点包括如下几个方面： （1）采用高精度CFD技术和先进的脱体涡模型（DES）对包括客车室外流场和发动机舱内部流场在内的流动及热交换过程进行耦合求解,以便模拟机舱发动机热量在真实外部环境下的扩散过程; （2）在一维匹配性分析的同时,基于三维Navier-Stokes方程组和CFD软件技术,对包括冷却水和外部冷却空气在内的多个冷却回路进行统一的数值模拟, 完整模拟水和空气之间的热交换过程及其对整个冷却系统的影响; （3）采用局部动力学理论和方法对整车热管理系统的散热性能、流动性能及其与部件布置之间的联系和影响,挖掘局部流动结构与热管理系统整体性能之间的内在规律,揭示出整车热管理系统存在设计缺陷的物理根源,并在此基础上对热管理系统的重要结构特征参数、性能参数及其布局方案进行优化设计,进一步提升系统性能和设计方案的技术水平。