本文以某乘用车为平台，对发动机舱内传热问题进行了较为系统的研究。同时为了缩短研发周期，在开发前期就进行一维仿真分析，评估冷却模块的散热性能可否达到目标要求，此项工作为设计方案提供了有效参考，不但大大提高了车辆热管理的CAE分析能力，也为后续的试验结果提供了仿真支持。

发动机散热性能的好坏直接关系到汽车的寿命。散热效率直接影响汽车的动力性和燃油经济性，发动机温度过高时，使得汽车的动力性和燃油经济性大大降低，若发动机舱温度太高， 还可能造成发动机舱的自燃。

CFD仿真分析思路

利用一维软件GT-SUITE分析冷却系统匹配，冷却系统内部情况，首先需要收集冷却系统各组成部件的结构参数、性能曲线等，并选定怠速、爬坡和高速为计算工况，完成一维模型系统的搭建，得出冷却系统各处的温度仿真结果，找出存在的问题并在后续设计中予以关注和解决。

最后在同济大学风洞实验室开展热平衡试验，对各工况下系统各处温度、流量进行测量，通过组织整车热平衡试验对优化前后的结果进行验证，校验与试验结果的趋势符合性。

一维匹配分析系统搭建

1. 一维匹配分析及冷却系统工作原理

一维匹配分析主要是对发动机舱的冷却系统（其工作原理见图1）的散热性能进行仿真分析，由此来评估设计初期冷却系统零部件的各项性能和匹配后的散热能力，进而在设计前期就规避散热风险，加快工作进度。

2. CFD仿真模型搭建

（1）建模流程

在开始之前，首先需要明确研究目的和对象，然后根据研究目的进行零部件数据搜集。数据搜集为重点部分，主要包括主机冷却系统各组成部件的结构参数、性能曲线等。建模主要在GT-SUITE中完成，其中管路部分在GEM 3D中处理，冷却模块在COOL 3D中建立。而后需要确定计算工况，包括确定怠速、爬坡和高速工况下整车、发动机及冷却系统各部件的运行状态。模型计算在GT-SUITE中完成，后处理部分在GT-POST中开展，还需要进行结构分析及整理。图2所示为一维分析流程。

（2）输入数据准备

输入数据主要包括发动机水套、水泵、节温器、整车特性、散热器、冷凝器、暖风、油冷器及冷却系统各连接管8大类参数（见表1）。

（3）条件定义及工况设定

1）假设条件

对本次冷却系统匹配分析一维模型做出如下假设：

①各个工况车辆各参数均处于稳定状态；

②轮胎无打滑、跑偏，轮速和发动机转速严格对应；

③离合器摩擦片无打滑，变速器按理论传动比计算；

④基础模型阶段，各元件散热功率由发动机热平衡试验确定并做出经验修订；

⑤水套各缸压损均各自定义；

⑥空调制热工况，冷凝器不进行热交换。

2）工况确定

为了考量在通常状况下汽车的使用条件，定义本次研究的怠速、爬坡和高速工况如表2所示环境温度：怠速工况52℃，其他工况48℃；冷却液初始温度85℃；壁面初始温度88℃；环境压力1.013×105Pa。

（4）模型建立

根据前期准备的参数，在GT-Suite软件中搭建该车型冷却系统流动及换热模型，每一支路均进行精确建模（见图3），其中水套、节温器等关键处更需保证参数准确可靠，流动模块需要准确把握各部件及支路的流动阻力特性，换热模块需获得准确的散热功率。

仿真结果分析与优化

1. 仿真结果及问题分析

在爬坡和高速的大负荷工况下，发动机冷却液温度整体较高。在爬坡工况下，涡轮增压器出口处温度已超过115℃。在高速工况下，水套出水温度、涡轮增压器冷却支路出水温度均在110℃以上。温度较高不利于保证冷却效果及涡轮增压器壳体的热安全。

各支路的流量分配仿真分析结果如表3所示：

从上表可以看出，高速和爬坡工况下，冷却系统各支路流量相对较大，高速工况下，水泵流量107.9L/min，此时，水套流量为85.9L/min，散热器流量68.5L/min。三个工况下，均为大循环模式。可以发现，涡轮增压器处的冷却液流量偏小，导致其温度较高。

2. 改进方案及仿真结果对比

由于冷却系统主体结构不易变动，而膨胀水壶处流量偏大，故采取如下优化方案：减小水套直通膨胀水壶水管的直径，并对散热器直通膨胀水壶支路进行封堵。通过设计研究验证，该方案可行（关键温度点前后对比见表4）。

通过对比发现，怠速工况下涡轮增压器冷却散热器支路的冷却液流量变化不大，而在爬坡和高速工况下，各支路的流量均有不同程度提高，冷却系统各处温度有一定下降，特别是水套、涡轮增压器和散热器处温度下降明显。原因有如下两点：

（1）散热器等冷却支路的流量增大，散热能力加强，冷却系统内部整体温度下降；

（2）涡轮增压器冷却支路的流量有所加大，支路温度会有一定下降。

结语

通过本次研究工作，在项目前期及时发现并解决了某车型冷却系统存在的问题，通过不断验证设计方案，实时将一维CAE仿真与试验结果进行对标，使得试验和仿真结果互为补充，最终确保该车热平衡性能满足。

在该领域形成了完整的技术手段，可提升整车热管理水平，并指导机舱内相关零部件的设计，以便尽早发现问题及时处理。同时，为后续车型的热管理设计提供了必要的技术支撑。同时，通过此项工作，摸索出了较为合理的机舱热管理研发流程，在较短的周期内完成机舱热管理工作。