CN111125858A - 一种整车冷却***的仿真计算方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整车冷却***的仿真计算方法，包括：S1、建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数；S2、建立瞬态冷却***模型，瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型；S3、建立整车冷却***的风侧三维模型；S4、对风侧三维模型进行设定，还对整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***的性能结果。本发明可以较为准确的计算整车冷却***的性能结果，有助于提高整车冷却***的设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种整车冷却***的仿真计算方法及***。
背景技术
整车发动机冷却效果对整车燃油经济性和排放性能影响很大；随着国家排放油耗法规对发动机性能的要求越来越高，小排量大功率涡轮增压直喷等新技术广泛应用，冷却***的热负荷也越来越高，冷启动暖机过程也更加受到重视。因此整车冷却***的研究开发面临着较大的技术挑战，特别是发动机冷却***的精确匹配是目前急需解决的重要技术问题。
基于上述原因，需要提出一种方法能够较为准确的计算整车冷却***的稳态和动态的冷却***的性能结果，以便于帮助提高整车冷却***的设计效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种整车冷却***的仿真计算方法及***，可以较为准确的计算整车冷却***的性能结果，有助于提高整车冷却***的设计效率。
本发明提供的一种整车冷却***的仿真计算方法，包括下述步骤：
S1、建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数；
S2、利用所述拓扑关系图、所述3D数模图，以及所述整车冷却***各元件的特性参数，建立瞬态冷却***模型，所述瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，所述整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型；
S3、根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及所述散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型；
S4、利用所述整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述整车冷却***一维模型进行设定，以及利用所述散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述风侧三维模型进行设定，还对所述整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***的性能结果。
优选地，还包括下述步骤：
测量所述整车冷却***在设定工况下的性能结果；
根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述设定工况下，所述整车冷却***的性能结果；
在所述设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***在不同工况下的性能结果。
优选地，整车冷却***各元件的特性参数，包括：机械水泵、电子水泵、散热器、发动机水套、暖风芯体、节温器的特性参数，以及整车的动力学参数和发动机的热平衡性能数据。
优选地，步骤S2中，还包括下述步骤：
根据所述整车冷却***的动力性模型和工况，以及所述整车冷却***的物性参数，对所述整车冷却一维模型进行设置。
优选地，所述整车冷却***的工况包括：爬坡工况、NEDC工况、WLTC工况；
所述整车冷却***的物性参数包括：冷却液的传热学性质和物理性质参数，以及风扇吹出的热风的传热学性质和物理性质参数。
优选地，所述风侧三维模型包含有格栅、散热器以及风扇构成的三维模型。
优选地，整车冷却***的性能结果，包括：发动机水温、所述整车冷却***的散热量以及发动机温升曲线。
本发明还提供一种整车冷却***的仿真计算***，包括：
图形构建模块，用于建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数；
一维模型构建模块，用于利用所述拓扑关系图、所述3D数模图，以及所述整车冷却***各元件的特性参数，建立瞬态冷却***模型，所述瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，所述整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型；
三维模型构建模块，用于根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及所述散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型；
性能结果计算模块，用于利用所述整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述整车冷却***一维模型进行设定，以及利用所述散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述风侧三维模型进行设定，还对所述整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***的性能结果。
优选地，还包括：性能结果测量模块；
所述性能结果测量模块，用于测量所述整车冷却***在设定工况下的性能结果；
所述性能结果计算模块，用于根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述设定工况下，所述整车冷却***的性能结果；
所述性能结果计算模块，还用于在所述设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***在不同工况下的性能结果。
优选地，所述一维模型构建模块，还用于根据所述整车冷却***的动力性模型和工况，以及所述整车冷却***的物性参数，对所述整车冷却一维模型进行设置。
实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过建立整车冷却***一维模型和散热器风扇三维模型，结合标定的风侧换热系数和水侧换热系数，计算整车冷却***的性能结果，可以充分考虑整车冷却***与散热器及风扇之间的耦合性；其中，将散热器及风扇建立三维模型，且将整车冷却***建立一维模型，即避免了整车冷却***建立三维模型而增加的复杂程度，也使得散热器及风扇模型更加自身更加符合实际，使得计算的性能结果也更加接近实际结果，有助于获得整车状态下稳态工况的发动机水温和动态工况的发动机温升曲线，发动机温升曲线也即是发送机温升对应的曲线，进而能够显著提升冷却***设计效率和获得较为准确的稳态和动态的冷却***性能结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的整车冷却***的仿真计算方法的流程图。
图2是本发明提供的整车冷却***的原理框图。
图3是本发明提供的散热器、风扇以及格栅的示意图。
图4是本发明提供的整车冷却***的仿真计算***的原理框图。
具体实施方式
本发明提供一种整车冷却***的仿真计算方法，如图1所示，该方法包括下述步骤：
S1、建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数。这里，整车冷却***各元件的特性参数，包括：机械水泵、电子水泵、散热器、发动机水套、暖风芯体、节温器的特性参数，以及整车的动力学参数和发动机的热平衡性能数据。
更具体的，散热器和发动机水套的特性参数均包括换热特性、流阻特性与散热特性参数，暖风芯体的特性参数包括换热特性、流阻特性参数，节温器的特性参数包括开度曲线、流阻特性参数。各元件的特性参数还包括散热器风扇的特性曲线、冷却***的管道的长度和直径的特性参数。整车的动力学参数包括车辆的重量、整车阻力曲线，变速器的速比，发动机的换热面积，发动机的万有特性曲线，轮胎的尺寸等。发动机的热平衡性能数据包括发动机在各工况下的散热量。
S2、利用拓扑关系图、3D数模图，以及整车冷却***各元件的特性参数，建立发送机瞬态冷却***模型，瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型。3D数模图也即是整车冷却***所包含的各元件的空间位置关系及尺寸大小的示意图。
这里，可以利用拓扑关系图、3D数模图，以及整车冷却***各元件的特性参数，在Amesim仿真软件中建立瞬态冷却***模型。
S3、根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型。这里，风侧三维模型包含有格栅、散热器以及风扇构成的三维模型。
S4、利用整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对整车冷却***一维模型进行设定，以及利用散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对风侧三维模型进行设定，还对整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***的性能结果。
整车冷却***的性能结果，包括：发动机水温(例如发动机处于稳态对应的水温)、整车冷却***的散热量以及发动机温升曲线。
在执行上述的步骤S1之前，可以先对整车冷却***的设计方案进行解读，了解冷却***的主要构成。一般而言，冷却***主要包括机械水泵、电子水泵、增压器、发动机水套、机油冷却器、节温器、散热器、膨胀水箱及暖风、风扇整车及发送机模型等。
需要说明的是，上述的风侧，指的是采用风冷技术对发动机进行散热的一侧，具体是，在发动机缸体上附着的有散热用的铝片，一个功率强大的风扇向这些铝片进行吹风散热；上述的水侧，指的是通过发动机中的管道和通路进行液体循环进行散热的一侧。
上述的整车冷却***的仿真计算方法还包括下述步骤：
测量整车冷却***在设定工况下的性能结果；
根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算设定工况下，整车冷却***的性能结果；
在设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***在不同工况下的性能结果。
当在设定工况下，计算得到的整车冷却***的性能结果与实际测量的整车冷却***的性能结果不一致时，则对标定的风侧换热系数、水侧换热系数进行修正，再根据修正后的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***的性能结果，直至整车冷却***的性能结果与实际测量的性能结果相一致，则可以确定最终的风侧换热系数以及水侧换热系数，并根据最终确定的风侧换热系数以及水侧换热系数，计算整车冷却***在不同工况下的性能结果。
这里，最初标定的风侧换热系数和水侧换热系数，可以是在实际整车冷却***的试验中，设定几组风速和几组冷却剂容量数据，再设定风扇吹出来的风的温度以及冷却剂的温度，计算得到对应的几组风侧换热系数和水侧换热系数后进行拟合，得到最初标定的风侧换热系数和水侧换热系数。计算风侧换热系数和水侧换热系数是本领域技术人员都知道的常识，这里不做赘述。
例如，根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算设定工况下，整车冷却***中的发动机水温，当计算得到的发动机水温与设定工况下实际测量的发动机水温不一致时，则对标定的风侧换热系数和水侧换热系数进行修正，再利用修正后的风侧换热系数和水侧换热系数，重新计算发动机水温，当计算得到的发动机水温与实际测量的发动机水温相一致时，则确定最终的风侧换热系数和水侧换热系数，并以此计算发动机温升曲线(也即是循环瞬态水温上升曲线)，输出仿真结果。
当计算得到的发动机水温比实际测量的发动机水温低一点时，则可以增大风侧换热系数和水侧换热系数，使得最终计算得到的发动机水温更加接近实际测量的发动机水温。
在上述的整车冷却***的仿真计算方法的步骤S2中，还包括下述步骤：
根据整车冷却***的动力性模型和工况，以及整车冷却***的物性参数，对整车冷却一维模型进行设置。
这里，整车冷却***的工况包括：爬坡工况、NEDC工况(New EuropeanDrivingCycle，新欧洲行驶工况，也即是国五排放标准对应的工况)、WLTC工况(也即是国六排放标准对应的工况)。
整车冷却***的物性参数包括：冷却液的传热学性质和物理性质参数，以及风扇吹出的热风的传热学性质和物理性质参数。传热学性质和物理性质参数，例如密度、热容、导热率等。
如图2所示，在整车冷却***中，通过发动机水套、缸体和缸盖105吸收发送机的热量，散热器107和暖风芯体106又将这些热量吸收依次经过节温器108、机械水泵109进行循环。当发送机水套的水量过多时，会渗入到膨胀水壶110中。
另一方面，发送机的热量产生的原因是，驾驶员通过踩刹车、换挡、踩油门等操作输送控制信号至发动机101，发动机101对变速器102输出扭矩，变速器102对汽车车轮输出扭矩，汽车车轮带动转毂，转毂给发动机施加了阻力，进而使得发动机产生热量。
格栅、散热器、风扇的位置关系示意图如图3所示，107为散热器，118为格栅，119为风扇。
本发明还提供一种整车冷却***的仿真计算***，如图4所示，该***1包括：图形构建模块11、一维模型构建模块12、三维模型构建模块13、性能结果计算模块14。
图形构建模块11用于建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数。
一维模型构建模块12用于利用拓扑关系图、3D数模图，以及整车冷却***各元件的特性参数，建立瞬态冷却***模型，瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型。
三维模型构建模块13用于根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型。
性能结果计算模块14用于利用整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对整车冷却***一维模型进行设定，以及利用散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对风侧三维模型进行设定，还对整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***的性能结果。
上述的整车冷却***的仿真计算***还包括：性能结果测量模块15。
性能结果测量模块15用于测量整车冷却***在设定工况下的性能结果。
性能结果计算模块14用于根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算设定工况下，整车冷却***的性能结果。
性能结果计算模块14还用于在设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的整车冷却***一维模型和风侧三维模型，计算整车冷却***在不同工况下的性能结果。
一维模型构建模块12还用于根据整车冷却***的动力性模型和工况，以及整车冷却***的物性参数，对整车冷却一维模型进行设置。
本发明基于ε-NTU(传热单元数法)的对流传热学理论建立散热器数学模型，通过散热器单品性能数据拟合出散热器的换热系数，建立冷却***的准三维模型；同时建立整车动力性模型及发动机热容模型；改变冷却***风速的速度计算模式和压力计算模式，可以计算获得整车状态下稳态工况的发动机水温和动态工况的发动机温升曲线。这种研究方法能够显著提升冷却***设计效率和获得较为准确的稳态和动态的冷却***性能结果。
综上所述，本发明通过建立整车冷却***一维模型和散热器风扇三维模型，结合标定的风侧换热系数和水侧换热系数，计算整车冷却***的性能结果，可以充分考虑整车冷却***与散热器及风扇之间的耦合性；其中，将散热器及风扇建立三维模型，且将整车冷却***建立一维模型，即避免了整车冷却***建立三维模型而增加的复杂程度，也使得散热器及风扇模型更加自身更加符合实际，使得计算的性能结果也更加接近实际结果，有助于获得整车状态下稳态工况的发动机水温和动态工况的发动机温升曲线，进而能够显著提升冷却***设计效率和获得较为准确的稳态和动态的冷却***性能结果。本发明能够搭建整车动力性模型与发动机冷却***模型耦合仿真计算，得出发动机水温稳态仿真结果和瞬态仿真结果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数；
S2、利用所述拓扑关系图、所述3D数模图，以及所述整车冷却***各元件的特性参数，建立瞬态冷却***模型，所述瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，所述整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型；
S3、根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及所述散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型；
S4、利用所述整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述整车冷却***一维模型进行设定，以及利用所述散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述风侧三维模型进行设定，还对所述整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***的性能结果。
2.根据权利要求1所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，还包括下述步骤：
测量所述整车冷却***在设定工况下的性能结果；
根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述设定工况下，所述整车冷却***的性能结果；
在所述设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***在不同工况下的性能结果。
3.根据权利要求1所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，整车冷却***各元件的特性参数，包括：机械水泵、电子水泵、散热器、发动机水套、暖风芯体、节温器的特性参数，以及整车的动力学参数和发动机的热平衡性能数据。
4.根据权利要求1所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，步骤S2中，还包括下述步骤：
根据所述整车冷却***的动力性模型和工况，以及所述整车冷却***的物性参数，对所述整车冷却一维模型进行设置。
5.根据权利要求4所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，所述整车冷却***的工况包括：爬坡工况、NEDC工况、WLTC工况；
所述整车冷却***的物性参数包括：冷却液的传热学性质和物理性质参数，以及风扇吹出的热风的传热学性质和物理性质参数。
6.根据权利要求1所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，所述风侧三维模型包含有格栅、散热器以及风扇构成的三维模型。
7.根据权利要求1所述的整车冷却***的仿真计算方法，其特征在于，整车冷却***的性能结果，包括：发动机水温、所述整车冷却***的散热量以及发动机温升曲线。
8.一种整车冷却***的仿真计算***，其特征在于，包括：
图形构建模块，用于建立整车冷却***的拓扑关系图、3D数模图，以及获取整车冷却***各元件的特性参数；
一维模型构建模块，用于利用所述拓扑关系图、所述3D数模图，以及所述整车冷却***各元件的特性参数，建立瞬态冷却***模型，所述瞬态冷却***模型包含整车冷却***一维模型，所述整车冷却***一维模型中包含有散热器风扇一维模型；
三维模型构建模块，用于根据散热器风扇各元件的空间位置关系和尺寸参数，以及所述散热器风扇一维模型建立整车冷却***的风侧三维模型；
性能结果计算模块，用于利用所述整车冷却***各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述整车冷却***一维模型进行设定，以及利用所述散热器风扇各元件的特性参数和设定的边界条件，对所述风侧三维模型进行设定，还对所述整车冷却***的风侧换热系数以及水侧换热***进行标定，并根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***的性能结果。
9.根据权利要求8所述的整车冷却***的仿真计算***，其特征在于，还包括：性能结果测量模块；
所述性能结果测量模块，用于测量所述整车冷却***在设定工况下的性能结果；
所述性能结果计算模块，用于根据标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述设定工况下，所述整车冷却***的性能结果；
所述性能结果计算模块，还用于在所述设定工况下，将测量得到的性能结果与计算得到的性能结果进行比对，当测量得到的性能结果与计算得到的性能结果相一致时，则利用标定的风侧换热系数、水侧换热系数，以及设定的所述整车冷却***一维模型和所述风侧三维模型，计算所述整车冷却***在不同工况下的性能结果。
10.根据权利要求8所述的整车冷却***的仿真计算***，其特征在于，所述一维模型构建模块，还用于根据所述整车冷却***的动力性模型和工况，以及所述整车冷却***的物性参数，对所述整车冷却一维模型进行设置。
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