随着高功率密度发动机的出现和众多汽车新技术、新系统的不断应用,汽车发动机舱内散热负荷日益增大而空间更加拥挤,导致散热不足、局部高温烘烤等问题频频出现,影响汽车的运行可靠性、安全性、燃油经济性和排放性。基于CFD仿真对发动机舱内空气流场进行分析与改进以实现强化散热,是解决上述问题的重要方法,但目前的流场强化散热未考虑空气速度场和温度场对散热的耦合作用,制约舱内散热部件以及冷却空气散热性能发挥。反置式布局发动机,简称反置发动机,具有燃烧充分和重心低等优点,已广泛出现于商用车发动机舱内,然而,该发动机布局方式使得空气难以到达发动机后方的排气歧管,导致排气歧管散热困难,该问题已成为反置发动机汽车热管理的技术难点。对此,以某款反置发动机汽车为研究对象,开展了基于双场耦合的发动机舱内流场强化散热方法研究,具体研究工作如下:(1)发动机舱内散热特性实车实验。在分析反置发动机舱内结构特点和散热原理的基础上,参考GB/T12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》,设计了多工况发动机舱内散热特性的实车实验,监测舱内16个位置点的温度和散热器热流体入口温度,并通过多工况的测试数据对比分析,确定散热恶劣工况,所得实验数据和结论为舱内流场散热的CFD仿真分析奠定基础。(2)发动机舱内流动与散热特性的CFD仿真分析。首先,在边界层动量方程中保留压强梯度源项,以Prandtl湍流混合长度理论封闭湍流应力,并将标准壁面函数作为无压强梯度情况下的具体形式以确定积分常数,提出了一种基于压强梯度的改进壁面函数(MWF),并通过后台阶分离流和国际MIRA阶梯背车模背部分离流动的计算,验证MWF的计算可靠性。然后,对多个实车实验工况下的发动机舱内流场进行CFD仿真,其中边界层计算采用改进壁面函数,基于实验数据对仿真结果验证后,分析恶劣工况下舱内空气流动与散热特性,以探明原车发动机舱内散热不足和局部高温的成因。(3)发动机舱内双场耦合强化散热原理研究。基于散热器散热原理,采用分布参数法建立发动机舱内流场中散热器的散热功率模型,并运用无量纲化方法分析迎风面速度场和温度场对散热器散热的耦合影响机理,获得了量化速度场和温度场耦合影响的双场耦合系数;基于双场耦合系数极大值条件,提出了散热器强化散热的迎风面空气速度与冷热流体温差“大小”对称双场耦合原则,并基于此,推导迎风面速度沿热流体流动方向降低的优化分布规律,通过仿真验证了该速度优化分布规律的有效性。同时,基于对流换热场协同理论,研究了非散热器高温部件强化散热的流体速度矢量与温度梯度矢量的0°夹角原则;基于0°夹角原则和自然对流换热下的流体温度场分布特征,提出了非散热器高温部件双场耦合强化散热的入流空气速度的“辐射状”优化方向,并通过仿真验证了该“辐射状”优化方向的有效性。(4)发动机舱前端双场耦合强化散热结构研究。针对发动机舱前端散热器散热不足问题,基于上述散热器强化散热的“大小”对称双场耦合原则和速度优化分布规律,进一步分析了散热器迎风面流场的不合理性;基于此,研究前端可调结构(栅条布置方式、格栅轮廓形状、“R-F-E”的位置关系)和散热器导流罩对散热器迎风面流场及其散热性能的影响规律,基于改善散热器迎风面速度分布(即双场耦合方式)和增加冷却空气流量双目标,确定了实现发动机舱前端流场双场耦合强化散热的改进结构。(5)发动机舱后端双场耦合强化散热结构研究。应用非散热器高温部件基于速度矢量和温度梯度矢量0°夹角原则的入流空气速度“辐射状”优化方向,分析了原车排气歧管入流空气速度方向不合理性;基于此,综合考虑增加排气歧管冷却空气流量、优化排气歧管入流空气速度方向以及消除回流等目标,设计了后端流场强化散热的5种结构改进方案,通过对比分析5种方案对舱内流动和后端流场散热的影响,确定了实现后端流场双场耦合强化散热的“散热器-风扇”导流罩组合结构。(6)基于双场耦合的整舱内流场强化散热的综合改进结构。基于发动机舱前、后端的速度场和温度场耦合强化散热结构,形成综合改进结构,并对该结构下的舱内空气流动和散热特性与原车进行了对比分析,结果表明:散热器冷却空气流量增大,迎风面双场耦合方式改善,散热器散热性能提高,其热流体入口温度降低为88℃;排气歧管冷却空气流量增大,且入流方向改善,排气歧管散热性能提高,表面平均温度降低为486℃,附近的局部高温消失;发动机舱内其他高温部件的散热良好,且整个发动机舱内空气温度为62℃~73℃的区域明显减少,全舱内流场散热性能被综合提高。