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原文传递某乘用车发动机舱多场耦合散热机理及结构优化研究

论文题名：	某乘用车发动机舱多场耦合散热机理及结构优化研究
关键词：	汽车发动机舱;多场耦合;振动强化散热;多目标优化;散热性能
摘要：	随着高功率发动机的普及，汽车发动机舱热负荷日益加重。同时，众多新技术、新功能不断升级，承载着这些新功能的系统被安装于发动机舱内，使得有限的舱内空间愈发拥挤，散热也越来越困难。当前对于发动机舱散热问题的研究多是基于计算流体力学或实验方法从流场的角度进行分析，较少涉及发动机舱内各物理场之间耦合作用对舱内散热性能的影响。对此，本文以某搭载涡轮增压发动机的乘用车为研究对象，开展发动机舱多场耦合散热机理及结构优化研究，为解决复杂的乘用车发动机舱散热问题提供参考，具体研究内容如下: 　　1、发动机舱散热问题识别及原因分析。在研究目标车型发动机舱结构特点的基础上，依据相关实验标准开展整车环境舱实验。通过对实验结果进行分析，确认车辆在运行过程中存在的散热问题以及散热最恶劣的工况。在实验的基础上建立发动机舱一维(1D)和三维(3D)联合仿真分析模型，分别针对散热器工作区和发动机工作区从流场和温度场的角度分析恶劣工况下发动机舱散热问题的原因。　　2、强化散热机理及方法研究。依据散热原理不同将发动机舱划分为散热器工作区和发动机工作区。为提高散热器散热性能，从换热器冷、热流体温度场耦合的角度提出换热模块“同向”匹配原则，为上下游换热器间的合理匹配提供理论基础。同时，基于振动传热理论开展管带式散热器振动强化散热机理研究，从场协同的角度揭示散热器振动强化散热的内在机制和规律:振动能够扰动扁管及翅片区域附近流场，提高散热器流场和温度场协同程度，进而提高散热器的换热系数。针对发动机工作区传动轴护套表面温度超标问题，基于场协同理论和火积耗散原理从热辐射电磁场、流场和温度场耦合的角度提出相应的解决方案，在降低对流换热火积耗散热阻的同时提高辐射换热热阻。　　3、多场耦合结构设计及优化研究。首先，依据强化散热机理研究结果，分别针对散热器工作区和发动机工作区开展强化散热结构设计。其次，采用正交试验和方差分析确定两个工作区散热结构中对研究目标影响显著的结构参数，并借助径向基神经网络算法建立优化目标与强化散热结构参数的预测模型。最后借助粒子群优化算法确定各结构参数的最佳组合及对应的目标最优值，以最大程度的降低全舱散热风险。　　4、针对优化分析结果开展仿真及实验验证研究。仿真结果表明，优化后的方案在改善空气泄露状态、增大催化器辐射换热热阻的同时，提高散热器换热能力和发动机工作区的场协同程度，最终使得发动机出水温度和传动轴护套温度仿真结果分别降低至104.5℃和118.7℃，满足温度限值要求。最后开展整车低速爬坡工况实验验证，当车辆进入稳定运行状态后，发动机出水温度和传动轴护套温度分别稳定在在102℃和115.5℃左右，均低于其温度限值。实验结果表明，基于多场耦合散热机理的结构设计及优化可有效提高发动机舱散热水平。
作者：	张杰
专业：	矿山机电工程
导师：	王其东
授予学位：	博士
授予学位单位：	安徽理工大学
学位年度：	2021