前保格柵對冷卻模塊性能影響的仿真與試驗(yàn)分析

黃 軼

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司動(dòng)力總成集成部空調(diào)科， 上海 201804）

隨著近幾年汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展， 各整車廠面臨越來越大的競爭壓力。 為了贏得市場， 各家紛紛推出新產(chǎn)品， 涉及外飾件改款的所謂小改款車型成為新產(chǎn)品推出的一種重要選擇。 然而， 無論是前保險(xiǎn)杠、 前端格柵或是前照燈等零部件的修改， 都離不開對改款后的各項(xiàng)性能進(jìn)行再次驗(yàn)證。 傳統(tǒng)方法多是通過將原型車和改款車進(jìn)行整車對比試驗(yàn)， 但因試驗(yàn)驗(yàn)證方法周期長、 成本高， 故而無法縮短開發(fā)周期。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， CFD技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)中。 通過CFD模擬分析在各設(shè)計(jì)階段的介入， 可以及時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)， 同時(shí)幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)方案， 縮短開發(fā)周期， 節(jié)約開發(fā)成本。 然而，CFD模擬在模型選擇和計(jì)算精度上仍不是非常成熟， 所以本文通過兩款不同格柵 （圖1） 冷卻模塊氣流狀態(tài)的模擬， 對比實(shí)際的整車試驗(yàn)結(jié)果， 分析模擬與試驗(yàn)結(jié)果的差異。

1 冷卻模塊簡介

冷卻模塊是用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的各冷卻零部件的組合， 一般來說主要包括散熱器、 冷卻風(fēng)扇和中冷器等。 因?yàn)槠渫ǔ２贾迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)艙前段位置， 故常稱之為前端冷卻模塊。

2 仿真分析建模

2.1 基本理論

本文中前端冷卻模塊的氣流模擬選用Fluent求解器， Fluent包含所有的求解方程， 可以直接得到計(jì)算結(jié)果也可以進(jìn)行后處理。 選用K-ε不可壓湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算， 差分格式為二階迎風(fēng)格式， 隱式解法， 殘差曲線判定精度為1.0e-6。 在求解初始化時(shí)， 將3個(gè)方向的初始速度設(shè)為0， 地面固定不動(dòng)（模擬風(fēng)洞試驗(yàn)）。

2.2 建立模型

將CAD模型導(dǎo)入ANSA中進(jìn)行幾何處理， 建立求解域。 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分如圖2所示。 將在ANSA中生成的面網(wǎng)格導(dǎo)入TGrid生成體網(wǎng)格， 最后將生成的體網(wǎng)格讀入Fluent 中求解計(jì)算， 總網(wǎng)格數(shù)14000000， 節(jié)點(diǎn)數(shù)2942813。

2.3 邊界條件的設(shè)定

1） 計(jì)算域進(jìn)口 速度進(jìn)口邊界， 設(shè)定為13.89 m／s （相當(dāng)于50 km／h車速）。

2） 計(jì)算域出口 壓力出口邊界。

3） 風(fēng)扇模型 選用Fluent自帶風(fēng)扇模型， 通過風(fēng)扇試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合二次曲線， 得出多項(xiàng)式系數(shù)。

4） 散熱器模型 多孔介質(zhì)， 域內(nèi)阻力系數(shù)由相關(guān)散熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出。

5） 流動(dòng)介質(zhì) 空氣溫度為25 ℃， 空氣密度為1.205 kg／m3。 車體、 風(fēng)扇、 散熱器為流體區(qū)域。

3 仿真結(jié)果分析

圖3為車速50 km／h條件下， 兩款車的散熱器和冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量的比較結(jié)果。 由圖3可以得出，前端散熱器空氣質(zhì)量流量的差異在8%以內(nèi)， 冷卻風(fēng)扇的差異在6%之內(nèi)， 格柵1性能略好于格柵2。同時(shí)， 因?yàn)閮煽罡駯诺纳稀?下部分的造型都有較大的不同， 所以流經(jīng)冷卻模塊上、 下端面空氣的速度有比較明顯的差異， y=0.1截面上的速度矢量圖見圖4和圖5。

由速度矢量圖可以看出， 流經(jīng)格柵1的空氣平均速度明顯高于格柵2， 且流經(jīng)散熱器的平均速度的趨勢也大致相同。

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c結(jié)果

2011年7月12日， 在某風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行兩款車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻試驗(yàn)， 比較兩款格柵對冷卻性能的影響。 試驗(yàn)工況為車速50km／h， 環(huán)境溫度38 ℃， 兩車除了前保格柵外沒有區(qū)別。 上水管溫度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 上水管溫度試驗(yàn)結(jié)果℃

由表1數(shù)據(jù)可知， 模擬7.2%坡度的試驗(yàn)時(shí)， 在上水管水溫達(dá)到穩(wěn)定的情況下， 格柵1的上水管溫度比格柵2低3.2℃； 減小一定負(fù)載， 模擬4%坡度后，格柵1上水管溫度比格柵2低4.4 ℃， 兩者相差不大。

雖然實(shí)際試驗(yàn)和CFD模擬計(jì)算都不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的誤差， 但是對于類似前保格柵這類部分零部件改動(dòng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)， CFD可以代替實(shí)際試驗(yàn)給出指導(dǎo)意見。

5 結(jié)論

在50 km／h車速下， 通過CFD仿真可知： 流經(jīng)格柵1散熱器的空氣質(zhì)量流量比格柵2高5%～7%， 試驗(yàn)結(jié)果顯示格柵1上水管溫度比格柵2高3.2～4.4 ℃， 兩者趨勢吻合， 差異幅度也接近。

CFD模擬前端冷卻模塊流場氣流狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果吻合， 在項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)階段和小改型項(xiàng)目時(shí)， 可以代替性能對標(biāo)試驗(yàn)， 減少整車開發(fā)費(fèi)用，對整車開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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