汽车压缩机热害问题的CFD仿真优化及试验验证

一、问题背景与目标

在汽车设计中，发动机舱内的温度控制是至关重要的环节。汽车排气管作为发动机舱内温度最高的部件，对周围零部件热损伤风险的关注度颇高。某车型样车进行的热害试验指出压缩机局部温度显著超出其最高耐温，采取的应对措施包括：

使用CFD方法，从辐射与空气对流两个关键角度分析压缩机热害产生原因。

采取多项改进措施，降低预催（排气管）对压缩机的热辐射，优化压缩机附近的空气流动，以显著减少压缩机表面的升温领域。

本研究的目标是通过系统的方法识别和解决压缩机热害问题，为汽车热管理提供科学依据与实践经验。




二、研究方法与原则

本次研究采用STARCCM+流体软体，对机舱内部件的热辐射与空气对流进行了全面考虑。主要研究方法及原则如下：

理论依据：遵循流体运动的三大定律：质量守恒、动量守恒和能量守恒原则，采用有限体积法求解流场方程和固体导热方程，并通过面向面热辐射计算来评估辐射对流。

网格处理：建立起精确的网格模型，对表面网格、边界层网格与汽车模型进行了细致划分，确保计算精度与计算时间之间达到适当的平衡。

试验及仿真边界条件：基于环境舱试验的工况（60 km/h 车速，10%负载坡度），通过基础试验中的排气管表面温度数据构建CFD分析边界条件。

三、研究分析与优化结果

整个研究过程基于以下研究情形的分析与优化，旨在通过实际方案覆盖热度源对流与辐射的影响、改善空气流动、加强隔热措施等多方面，进而明显降低压缩机表面温度：

基础车型：展现了压缩机表面受热分布的基本情况，揭示了散热难题逐步显露的路径。


格栅开孔：增加前格栅开口以提升进气量，据此分析其对阻力及温升的影响。


大风扇：通过增大风扇的尺寸及转速来加强冷风入流，核验其对温升控制的有效性。


移动压缩机：下移压缩机位置以增加与热源预催的间距，兼探热辐射减小对温度的影响。


增加预催隔热罩：采用双层构造的预催隔热罩以减少热辐射对压缩机的影响。


更改预催隔热罩材料属性：尝试调整材料属性来进一步降低热辐射。


经过系统仿真及优化后，压缩机表面最高温度显著下降：

模拟结果：基础车型下，压缩机表面最高温度达188℃，较之极限值高出68℃，展现严重热害风险。在模拟情形下，通过优化措施，最高温度降低至116℃，优化前值减少约72%，满足安全限值要求。

试验验证：通过试验方法，证实优化方案在压缩机热害验证试验中，最高温度能达到108℃，证实了优化的有效性。

四、结论与展望

研究成果示，通过局部布置优化、制冷策略改进与严密设计的隔热措施，有效降低了压缩机表面热害风险，显著提升了汽车热管理系统的能力与安全性。此类研究对解决发动机舱内热敏感部件的热保护问题具有重要的指导意义和实践价值，为同平台车型及关键热源附件的热害问题规避提供了丰富的借鉴参考。