摘要：本文設(shè)置了不同管徑、不同入口冷卻液流量和不同類型彎頭的直管。通過對某燃料電池乘用車散熱水管的計算，分析了各因素對摩擦系數(shù)和阻力系數(shù)的影響，并進行了壓力場和流動的仿真驗證，模擬了真實的布局在客車內(nèi)，不斷調(diào)整管徑、彎度、長度等，達到目標(biāo)流量和壓力汽車散熱器設(shè)計計算，實現(xiàn)流量的最佳分布。提出了最優(yōu)方案，為冷卻系統(tǒng)水管的設(shè)計開發(fā)提供了建議和經(jīng)驗。前言 汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的作用是及時將零部件產(chǎn)生的廢熱散發(fā)出去，保證發(fā)動機工作在最合適的溫度。水管是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中不可缺少的一部分，其性能有好有壞。動力、經(jīng)濟性和可靠性有很大的影響。無論是湍流狀態(tài)還是層流狀態(tài)，在流動過程中都會由于粘性力的作用而發(fā)生機械能損失[1]。當(dāng)水流處于層流狀態(tài)時，工質(zhì)冷卻劑與水冷壁之間，以及工質(zhì)不同流速的流體層之間，在粘性力的作用下，所產(chǎn)生的阻力為負工作液本身。所以，研究不同規(guī)格管道造成的機械能損失非常重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者對輸水管道的水力特性進行了相關(guān)研究。趙寶峰等學(xué)者在計算管道突然膨脹的局部水頭損失系數(shù)時主要考慮了沿程損失的影響，然后結(jié)合實驗進行了公式。修改[3]；何以英等。通過實驗研究了彎頭的局部水頭損失系數(shù)，分析了輸水管道中彎頭的局部水頭損失對附近水力參數(shù)的影響[4]；水頭損失之間的關(guān)系改進了Weiss-Darcy公式[5]；毛澤宇等人。通過實驗研究了管道匯合處的局部阻力[6]；宋長富等。進行了實驗研究[7]；王凱等。通過模型試驗驗證，研究了不同計算公式的性能對帶壓力彎頭倒虹吸管局部水頭損失系數(shù)計算方法的影響，并進行了比較[8]。

汽車輸水管道是連接空壓機、電機、控制器、熱交換器等熱工設(shè)備并輸送工作流體的管道及附件的總稱。它是整個汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要組成部分。其中，直管和彎頭造成的機械能損失的大小尤為重要。1 散熱系統(tǒng)的組成及輸水管路的設(shè)計要求 燃料電池汽車的工作原理是汽車攜帶的燃料電池中作為燃料的氫氣與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能驅(qū)動電機工作。電動機驅(qū)動車內(nèi)的機械傳動結(jié)構(gòu)，進而帶動汽車前橋（或后橋）等行走機械結(jié)構(gòu)工作，從而驅(qū)動電動汽車前進。燃料電池的反應(yīng)結(jié)果會產(chǎn)生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產(chǎn)物主要是水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車。決定性的影響。該燃料電池乘用車整車?yán)鋮s系統(tǒng)由散熱器、空壓機頭、空壓機控制器、空壓電機、DCDC、車載電機、車載電機控制器、水泵、水箱、水管組成整車設(shè)計示意圖燃料電池乘用車?yán)鋮s系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)各部件散熱、流量、阻力、冷卻液入口溫度等要求，進行冷卻液入口壓力等，各部件的選型開發(fā)，連接管路的匹配設(shè)計等。但在實際加載過程中，除了受零件流阻和管徑大小等因素的影響外，管子的長度、彎曲角度、異形管的直徑等會影響流量分配。本次仿真模擬真實布置，連續(xù)調(diào)整管徑、曲率、長度等，達到了目標(biāo)流量和壓力，實現(xiàn)了流量的最佳分布。除了零件的流阻和管徑大小等因素的影響外，管子的長度、彎曲角度、異形管的直徑都會影響流量分布。本次仿真模擬真實布置，連續(xù)調(diào)整管徑、曲率、長度等，達到了目標(biāo)流量和壓力，實現(xiàn)了流量的最佳分布。除了零件的流阻和管徑大小等因素的影響外，管子的長度、彎曲角度、異形管的直徑都會影響流量分布。本次仿真模擬真實布置，連續(xù)調(diào)整管徑、曲率、長度等，達到了目標(biāo)流量和壓力，實現(xiàn)了流量的最佳分布。

圖 1 燃料電池乘用車整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計原理圖。為保證冷卻效果，該冷卻系統(tǒng)必須滿足以下流量和壓力分配要求：①空壓機和空壓機控制器、空壓機機頭、DCDC的四個散熱片并聯(lián)，總流量18LPM；②確保DCDC在65℃下分配10 LPM流量的冷卻液；③空壓機電機和空壓機控制器在65℃下分配3-5LPM流量；④ 空壓機機頭在65℃時分配3-5LPM；⑤車用電機要求水流量>16LPM，冷卻液溫度≤65℃，壓降@16LPM；⑥電機控制器要求水流量>16LPM，冷卻液溫度≤65℃，壓降35MPa@16LPM；⑦ 液壓入口壓力在各部件的承壓范圍內(nèi)；由于布局空間等因素的限制汽車散熱器設(shè)計計算，流水線的設(shè)計有很多可能性。在空間中，合理的方向和形狀的管道可以最大限度地減少系統(tǒng)的壓力損失，滿足流量分配要求。2 冷卻系統(tǒng)水管路的布局設(shè)計和仿真驗證受車身空間和冷卻部件位置的限制。實際的水路是從前散熱器到中空壓機、DCDC、空壓機控制器、電機控制器。再到車后的電機，貫穿整個車底，燃料電池乘用車整車?yán)鋮s系統(tǒng)示意圖見圖2。保證在水泵的帶動下，

圖 2 燃料電池乘用車整車?yán)鋮s系統(tǒng)圖 分以下三個子案例，對每個方案進行仿真分析。2.1 方案一 方案一：設(shè)置主回路總流量為18.4LPM；DCDC支管內(nèi)徑為16mm；空壓機頭支管內(nèi)徑14mm；空壓機電機和空壓機控制器的內(nèi)徑為14mm。結(jié)果如圖3-方案1的體積流量分布圖所示。

圖3——方案一的體積流量分布圖。 由上可以得出結(jié)論：DCDC支管內(nèi)徑為16mm，流量分布為10.1LPM；空壓機頭支管內(nèi)徑14mm，流量分配3.7LPM；空壓機電機+氣壓機控制器內(nèi)徑14mm，流量分配4.5LPM；2.2 方案2 方案2：設(shè)置主回路總流量為18.2LPM；DCDC支管內(nèi)徑為16mm；空壓機頭支管內(nèi)徑9mm；空壓機電機+空壓機控制裝置內(nèi)徑為9mm。結(jié)果如圖4-方案二的體積流量分布所示。從上面可以得出結(jié)論：DCDC支管內(nèi)徑16mm，配流13.6LPM；空壓機頭支管內(nèi)徑9mm，流量分配2.38LPM；空壓機電機+空壓機控制器內(nèi)徑9mm，流量分配2.25LPM。;

圖4-方案2的體積流量分布 圖2.3 方案3 方案3：設(shè)置主回路總流量為18.4LPM；DCDC支管內(nèi)徑為16mm；空壓機頭支管內(nèi)徑為10mm；空壓機電機+空壓機控制器內(nèi)徑為10-14mm變徑。結(jié)果如圖5-第三種方案的體積流量分布圖。

圖5——方案3的體積流量分布圖。由上可以得出：主回路總流量為18.4LPM；DCDC支管內(nèi)徑16mm，配流11.5LPM；空壓機頭支管內(nèi)徑10mm，流量分配2.8LPM；空壓機電機+空壓機控制器內(nèi)徑10-14mm變徑，流量分配3LPM；綜合需求和實際組件接頭，第三種方案是最佳方案，即DCDC支管內(nèi)徑為16mm；空壓機頭支管路徑內(nèi)徑10mm；空壓機電機+空壓機控制器內(nèi)徑為10-14mm變徑。

圖6-方案3的壓力分布圖 取四個點進行壓力驗證，仿真結(jié)果如圖7-方案3中的壓力點值：18LPM主管道總壓降約2bar @18LPM；DCDC支管進口壓力2.16Bar；空壓機頭支2.3Bar；空壓機電機+空壓機控制器2.32Bar。由以上可以得出，空壓機電機、空壓機控制器、空壓機泵頭的仿真結(jié)果約為，在液壓入口壓力范圍內(nèi)；DCDC 超過給定的最大液壓入口壓力。受力超過16KPa，約8%在DCDC的耐壓范圍內(nèi)。

圖7-方案3中的壓力點值3 結(jié)論 通過以上三種方案的分析可以看出方案3是最優(yōu)方案，即DCDC支管內(nèi)徑為16mm；空壓機頭支管內(nèi)徑為10mm；電機和空壓機控制器的內(nèi)徑為10mm-14mm。在流量分配方面，干流總流量為18.4LPM，滿足整車電機和電機控制器≥16LPM的流量要求；DCDC支管流量為11.5LPM，滿足DCDC流量要求≥10LPM；空壓機機頭支管流量分配為2.8LPM，滿足3～5LPM的流量要求；空壓機電機和空壓機控制器，流量分配3 LPM，滿足3~5 LPM的流量要求；在壓力分布上，空壓機電機、空壓機控制器、空壓機泵頭，DCDC的入口壓力在可接受的范圍內(nèi)。作者：張軍上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司點此查看，支持《汽車熱管理之家》↓

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