车辆稳态与瞬态热性能分析
周凡华 严 鹏 （泛亚汽车技术中心有限公司，上海２０１２０１）
【摘要】 整车热管理分析研究在整车项目开发流程中起着重要的作用，应用数值分析手段可以在项目 开发前期发现热风险，尽早提出解决方案，减少后续试验开发及改进的成本。文章采用Ｆｌｕｅｎｔ和Ｒａｄｔｈｅｒｍ软 件，通过稳态计算方法对整车热性能进行分析，对存在的热风险问题进行瞬态计算，并提出改进方法。
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ．
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃａｎ ｆｉｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｉｓｋ ｉｎ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ ｑｕｉｃｋｌｙ ｇｉｖｅ ｐｒｏｐｏｓａｌ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅ— ｄｕｃｅ ｔｅｓｔ ｃｏｓｔ．Ｆｌｕｅｎｔ ａｎｄ Ｒａｄｔｈｅｒｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｅａｄｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｔｏ ｆｉｘ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｉｓｋ．
【关键词】 热管理汽车稳态瞬态仿真
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ．１００７４５５４．２０１３．０５．０３
０ 引言
汽车发展趋势越来越要求轻量化和小型化，
也使得发动机舱的空间越来越小。紧凑的前舱如 何达到良好的散热效果，已经成为目前整车热管 理研究的主要问题。整车热管理的研究手段包括 数值仿真分析和整车热试验，在车辆开发前期，较 好地应用仿真手段来评估整车热性能，可以降低 项目后期进行多种对比试验的成本。目前，整车
热性能数值仿真主要有稳态分析和瞬态分析两 种。稳态分析用来评估在单一工况下的整车热性
能，瞬态分析则可以评估受热零件的温度随工况 变化情况
１ 数值计算方法
１．１稳态计算方法 整车热分析稳态计算首先确定了计算工况，
收稿日期：２０１３—０２—０８
上海汽车２０１３．０５ 建立数学模型，然后采用Ｆｌｕｅｎｔ软件，求解连续性 方程、动量方程、能量方程，得到在该工况下整车 各个零件温度场分布情况，达到评估整车热性能 的目的。湍流模型采用标准的 一 模型。 （１）连续性方程：
＋ ＋ ＋ （１） Ｏｔ Ｏｘ Ｏｙ Ｏｚ 式中，Ｐ为密度； 为时间；／／／， ，ｗ分别为 ，Ｙ，ｚ方向 上的速度分量。 （２）动量方程（Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程）采用不可
压的粘性为常数的流体，即：
＋ （ 些）＋旦 ＋ （ ） Ｏｔ 。 Ｏｘ 。 Ｏｙ ’ Ｏｚ
＝击（ ）＋专（ 考）＋杀（ 詈）一罢＋ｓ ｃ２
＋ ｉ ＋ ＋ （ Ｏｔ 。 Ｏｘ 。 Ｏｙ ’ Ｏｚ
＝ （ ）＋专（ 考）＋啬（ ）一考＋Ｓ ｃ３
＋ ｉ ＋ ｉ ）＋ （ ！ Ｏｔ 。 Ｏｘ 。 Ｏｙ 。
Ｏｚ ＝去（ ）＋专（ ）＋告（ ）一害＋ｓ ｃ４
式中，Ｓ ，Ｓ ，Ｓ 是动量方程的广义源项。
（３）能量方程： 业 ＋Ｏ（ｐｕＴ）一＋ ＋ｏ（ｐｗＴ） Ｏｔ Ｏｘ Ｏｙ 以 本文稳态计算通过建立整车数学模型，运用 Ｆｌｕｅｎｔ软件，计算车辆在稳速爬坡工况的温度场；
瞬态计算建立可能存在热风险的零件和热源模 型，运用Ｒａｄｔｈｅｒｍ软件，计算该零件在爬坡和熄火
工况的温度变化趋势，并提出改进方案进行验证。
＝ ０＼Ｃ ｋ Ｏ圳Ｔ１＋ （毒 ）＋告（毒警）＋５ｒ（５） ２ 稳态计算分析
式ｌ中，ｃ。是等压比热容；Ｔ为温度； 为流体的传热
系数；Ｓ，为流体的内热源及由于粘性作用流体机
械能转化为热能的部分。 １．２瞬态计算方法
瞬态计算方法首先确定可能存在热风险的零 件，定义需要计算的瞬态工况，然后采用Ｒａｄｔｈｅｒｍ
软件，通过求解控制方程计算热辐射量，求解方程 得到受热零件的温度变化趋势。Ｒａｄｔｈｅｒｍ的辐射
换热量主要是通过热力学第一定律和斯蒂芬一波 尔兹曼定律来进行求解的。
（１）热力学第一定律是指能量在转换和传递
过程中总量保持不变，即：
ｉＯＥ：Ｃ （６） ａ 、
热量的传递主要有对流换热、热传导和辐射 换热３种，即：
Ｅ＝Ｑ… ＋Ｑ。。 ｄ＋Ｑ ｄ＋Ｑｉ 。。 ｄ （７）
式中，Ｑ。…表示对流换热吸收的热量；Ｑ… 表示热 传导吸收的热量；Ｑ 表示热辐射吸收的热量；
Ｑ． … 表示从外部热源（如太阳能或者电能）吸收 的热量。 从式７展开可得到辐射换热的表达式为：
Ｑ ｄ＝ｍ ＯＴ—ｈＡ（Ｔｆ一 ）一ｚｋＡ Ａ￣△Ｔ￡
一Ｑｉ 。 ｄ （８） 式中，ｍ表示质量；Ｔ表示温度；△ 表示两节点之
间的温差；Ａｌ表示两节点之间的距离；ｈ表示对流
换热系数。
（２）斯蒂芬一波尔兹曼定律：
Ｑ＝ｏｒ￣６Ａ（ ｌ一 ） （９） 式中，Ｑ为辐射换热量； 为辐射函数；６为角系数
函数；ｏｒ为波尔兹曼常数；Ａ为物体面积；Ｔ 和
为两物体温度。
－１２・ ２．１建立数学模型
整车稳态热性能计算模型包括整车车身及外
形、发动机、变速器、冷却模块、底盘和进排气系统 等影响前舱和底盘流动的关键零件。整车模型通
过几何处理进行网格划分，面网格数目达１４１万， 体网格数目达到１ ０００万，进气格栅、冷却系统和 排气系统等影响前端和底盘流动的零件均进行网
格细化处理，更加准确地描述前端、底盘及排气系 统周围的流动形式（如图１）。与此同时，由于散
热器和冷凝器的翅片结构复杂，不易进行网格划 分，故将其简化成多孑Ｌ介质模型。
图１ 整车热计算网格模型
２．２设定边界条件
体网格导入到Ｆｌｕｅｎｔ中设置流动和热边界条
件，本文计算工况是在７．２％坡度上以５０ ｋｍ／ｈ车 速稳速行驶，风洞入口采用速度人口，风速为
ｌ３．８９ ｎｒ／ｓ，风洞出口采用的是压力出口；发动机
缸内气体流到排气管边界条件采用质量流量进 口，流量为０．０３ ｋｇ／ｓ，排气温度为８５０ ｏＣ。散热器
和冷凝器采用多孔介质模型，风扇采用ｆａｎ边界条 件，散热器、冷凝器和风扇的参数通过ＣＲＦＭ模块
上海汽车２０１
３．０５ ４ 结语
通过对整车热性能稳态和瞬态的计算分析， 主要得到以下结论：
（１）定义稳态计算的工况及其边界条件，采 用Ｆｌｕｅｎｔ软件对整车热性能进行计算，通过对计
算结果分析发现传动轴等零件存在热风险，提出 更改方案降低零件温度，使其满足零件耐热性能。
（２）定义瞬态计算工况和边界条件，采用 Ｒａｄｔｈｅｒｍ软件对可能存在热风险的零件进行热性
能评估，计算结果可以较为明确地表现出瞬态工
况下风罩等零件的温度变化情况，提出优化方案 使其满足整车热性能的要求。 （３）本文稳态研究从全局考虑整车热性能，
发现存在的热风险并提出改进方案，而瞬态研究 则针对稳态计算中可能存在的热风险零件对其进 行热性能评估，并对瞬态计算结果提出的方案进
行试验验证，计算结果和试验结果偏差仅６％。
参考文献
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－６＂－６＂－６＂－６＂ 七 七七七七 －６＂七－６＂－６＂－６＂ －６＇－６＂－４－＂ －６＂－６＂－６＂－６＂七－６＂－６＂女 女女 －６＂
（上接第５页） （一般定义为一３０℃），在电池可用的最低ＳＯＣ状 态下可以顺利启动车辆，且需要保证启动瞬间具
有足够高的电压，在该电压下可以使电机顺利达 到一定扭矩和转速，进而带动发动机进入工作模
式。该要求的确定主要是由整车低温性能目标所 决定，如果电池低温性能影响电池可用工作区问，
也会直接影响最初电池系统的选择。
６ 结语
对于电池系统的方案选型，此文重点从电池
系统的性能方面进行研究。而电池系统寿命是直 接影响整车使用寿命的一个重要指标，电池系统
的寿命由电池系统的容量衰减和功率衰减所决 定，关于这些在文中已重点介绍，关于寿命终止条 件以及寿命测试的方法需要整车厂和电池系统供
应商协商确定。还有一个因素是成本，它同样是 电池系统开发过程中的一个重要考虑因素，目前
・１４・ 电池系统成本偏高，对于电池系统成本需要结合 整车开发目标进行分析，在这不做详细讨论。但
是对于一个全新的电池系统的选型评估，除了这 些还需要考虑电池在整车中的布置，热管理、电池
系统在整车中的安装位置等因素。总之通过以上 分析电池系统的选型过程中各种因素相互制约， 只有在这些因素中找到平衡点才可以得到最佳的
电池系统方案。
参考文献
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上海汽车
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