汽車前端冷卻模塊降溫性能模擬試驗(yàn)研究

馮燕燕，李義林，王麗華，張 寧

汽車前端冷卻模塊降溫性能模擬試驗(yàn)研究

馮燕燕1，李義林1，王麗華1，張 寧2

（1.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400023；2. 上海索卓信息科技有限公司，上海201101）

本文基于數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)不同測(cè)試條件車輛車速與前端進(jìn)氣風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行了研究；在此基礎(chǔ)上還研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各個(gè)零部件對(duì)散熱器散熱性能的影響，并就冷凝器芯厚、護(hù)風(fēng)罩、進(jìn)氣截面和格柵對(duì)進(jìn)氣前端平均風(fēng)速的影響做了相應(yīng)的具體分析，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件設(shè)計(jì)和布置規(guī)律。

均勻性；前端進(jìn)氣；發(fā)動(dòng)機(jī)艙

引　言

散熱器和冷凝器在零部件風(fēng)洞中的性能與在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的性能表現(xiàn)存在一定的差別。其中影響因素包括：水泵、風(fēng)扇功率及一些車輛零部件，如格柵、進(jìn)風(fēng)口截面積、保險(xiǎn)杠位置、進(jìn)氣前端壓力系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣出口等。

在研究過(guò)程中，為了準(zhǔn)確評(píng)估前端進(jìn)氣平均風(fēng)速的模擬值與試驗(yàn)值的相關(guān)性，需要測(cè)量多個(gè)參數(shù)。其中車輛的冷卻液和制冷劑的流量可以通過(guò)流量計(jì)測(cè)量，而因受不同零部件的影響，通過(guò)散熱器和冷凝器的空氣流速卻不容易測(cè)量，需要通過(guò)間接的方法獲得。

1　理論模型

文中將考慮以下車輛冷卻模塊組合：（1）風(fēng)扇相對(duì)于散熱器的位置；（2）不同護(hù)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)：無(wú)護(hù)風(fēng)罩，部分護(hù)風(fēng)罩，全尺寸護(hù)風(fēng)罩，如圖1所示；（3）風(fēng)扇開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)；（4）冷凝器的尺寸及其相對(duì)散熱器和護(hù)風(fēng)罩的位置。

由于前端冷卻模塊較復(fù)雜如圖2，因此需作以下假設(shè)：一是將實(shí)際的空氣側(cè)回路簡(jiǎn)化為等效的空氣側(cè)回路，如圖3和4所示；二假定散熱器周圍的空氣沒(méi)有泄露；三假定所有的物理參數(shù)都是恒定的；四將流體模型視為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流動(dòng)。

將通過(guò)散熱器的空氣流分為三個(gè)區(qū)域：通過(guò)護(hù)風(fēng)罩和冷凝器的空氣流Uri1，護(hù)風(fēng)罩內(nèi)的空氣流Uri2，護(hù)風(fēng)罩以外的空氣流Ue。

2　數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

2.1模擬計(jì)算

對(duì)于上述前端冷卻模塊組合，文中將重點(diǎn)分析組合為：部分護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)；風(fēng)扇在散熱器后端；冷凝器的迎風(fēng)截面Sc小 于護(hù)風(fēng)罩的截面Scv； 散熱器的迎風(fēng)截面Sr大 于護(hù)風(fēng)罩的截面Scv，如圖5：

基于上述假設(shè)，采用數(shù)值模擬計(jì)算可以獲得通過(guò)散熱器的平均風(fēng)速Ura和 發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液的溫度Te。

2.2環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)儀器：空氣、冷卻液和制冷劑的溫度傳感器，流速傳感器，壓力傳感器。

（2）測(cè)試工況：外界溫度為25℃時(shí)爬坡、外界溫度為38℃和45℃時(shí)最大車速。

通風(fēng)測(cè)試：采用加熱器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)熱源，對(duì)有風(fēng)扇和無(wú)風(fēng)扇兩種情況進(jìn)行測(cè)試。對(duì)不同車速，相同的冷卻液流速，相同的冷卻液和空氣溫差下，真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙條件下的散熱器性能，將與試驗(yàn)臺(tái)架上的性能進(jìn)行比較。這樣，通過(guò)在整車環(huán)境下測(cè)量散熱器的散熱量和冷卻液流量和溫度就可以獲得散熱器的平均風(fēng)速Ur如圖6所示：

（4）試驗(yàn)和計(jì)算方法

在車輛的仿真分析中，需要兩個(gè)重要的參數(shù)：前端的壓力系數(shù)Cpe和發(fā)動(dòng)機(jī)艙后端壓力系數(shù)Cps。針對(duì)每輛車，需要用圖7所示的方法，計(jì)算出這些系數(shù)。

案例結(jié)果---每個(gè)組件的壓降（格柵、散熱器、冷凝器、風(fēng)扇等）已在試驗(yàn)平臺(tái)上單獨(dú)測(cè)量。根據(jù)圖7的方法，將在環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行兩輛車的測(cè)試。兩輛車都設(shè)計(jì)有全尺寸風(fēng)罩，實(shí)驗(yàn)時(shí)車輛Ⅰ風(fēng)扇開(kāi)啟，車輛Ⅱ風(fēng)扇關(guān)閉。

圖8顯示了車輛Ⅰ的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，在車速60～200 km/h時(shí)有良好相關(guān)性，但在低速時(shí)存在一定的誤差。車輛裝配了完整的全尺寸風(fēng)罩（FFS），并且風(fēng)扇開(kāi)啟。這個(gè)問(wèn)題可能是風(fēng)扇扇葉太靠近散熱器。通過(guò)計(jì)算獲得的壓力系數(shù)Cpe、Cps分別為0.7，0.0。

表1　車輛Ⅱ車速和風(fēng)速相關(guān)性模擬值與測(cè)試結(jié)果比較

圖9為帶有全尺寸護(hù)風(fēng)罩且風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)車輛Ⅱ的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果相關(guān)性。壓力系數(shù)Cpe、Cps和車輛Ⅰ相同，分別是0.7和0.0。這些值將用于不同方案組合的計(jì)算。

2.3結(jié)果分析

表1為車輛風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與模擬值比較結(jié)果。比較車輛的試驗(yàn)結(jié)果與模擬值發(fā)現(xiàn)，通過(guò)散熱器的平均風(fēng)速Ur，散熱器的換熱能力及發(fā)動(dòng)機(jī)出口的冷卻液溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱性能影響較大。另外，高車速與低車速情況的試驗(yàn)結(jié)果與模擬值的吻合度，前者表現(xiàn)更好。這可能是由于設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)扇距離散熱器過(guò)近導(dǎo)致實(shí)際流動(dòng)受到干擾。

3　理論結(jié)果的擴(kuò)展

通過(guò)以上試驗(yàn)和分析的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。下文將基于驗(yàn)證模型對(duì)不同冷卻模塊組合進(jìn)行分析。

為了研究進(jìn)氣前端和護(hù)風(fēng)罩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和冷凝器性能的影響，我們將選用車輛Ⅰ進(jìn)行研究，主要的參數(shù)如下：風(fēng)扇功率300 W，8葉片，直徑364 mm；冷凝器尺寸375 mm*515 mm，翅片間距1.3 mm；散熱器尺寸414 mm*480 mm，翅片間距0.95 mm。

冷凝器芯厚的影響---對(duì)冷凝器三個(gè)不同厚度12 mm，16 mm和22 mm，不同車速下，通過(guò)散熱器和冷凝器的平均風(fēng)速Ur可以計(jì)算出來(lái)?？梢钥吹剑哼@三個(gè)冷凝器具有大致相同的空氣風(fēng)速。這些冷凝器較小的空氣側(cè)壓力損失差異對(duì)風(fēng)速Ur沒(méi)有影響。這是由于散熱器的壓降遠(yuǎn)大于冷凝器（大約2倍）。通過(guò)散熱器和冷凝器的風(fēng)速主要由散熱器和風(fēng)扇控制。

然而冷凝器減小了通過(guò)散熱器的風(fēng)速（如圖10、11所示）。在車速200 km/h時(shí)，沒(méi)有冷凝器，風(fēng)速會(huì)增加1 m/s。

護(hù)風(fēng)罩的影響：相同風(fēng)扇，不同車速下，護(hù)風(fēng)罩對(duì)風(fēng)速Ur有很大影響（如圖12所示）。根據(jù)圖1所示，有三類護(hù)風(fēng)罩：全尺寸護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)（FFS）；部分護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)（PFS）；無(wú)護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)（WFS）。

配置全尺寸護(hù)風(fēng)罩在低車速狀態(tài)有很好的效果，但無(wú)護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)對(duì)中、高車速具有更好的效果，部分護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)介于全尺寸護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)和無(wú)護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)中間。

進(jìn)氣截面系數(shù)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的一個(gè)重要參數(shù)，在中、高車速時(shí)，影響尤為顯著（如圖14所示）。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率和汽車造型之間的一個(gè)折中是So/Sr為0.4。過(guò)大的So/Sr，如0.5，對(duì)冷卻系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)際的影響。

格柵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)影響很大特別是在中、高速狀態(tài)（如圖15所示）。對(duì)于怠速或低速狀態(tài)（如車速小于20 km/h）基本沒(méi)有影響。在高速狀態(tài)，減小格柵的壓力損失系數(shù)Kg會(huì)增大風(fēng)速2～3 m/s。在平衡發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能、空調(diào)系統(tǒng)和車輛風(fēng)阻Cx中，Kg的取值范圍最好在1.5～2之間。

4　結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化車輛前端和冷卻模塊，特別是風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能、空調(diào)性能、和車輛造型之間的折中方案是：進(jìn)氣界面比So/Sr為0.4；格柵系數(shù)1.5＜Kg＜2。如果可能，可以采用部分護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)，代替全尺寸護(hù)風(fēng)罩設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)有全尺寸護(hù)風(fēng)罩必須進(jìn)行優(yōu)化，特別是在車輛低速狀態(tài)。

［1］Sadek Rahman， Richard Su，Robust. Engineering of Engine Cooling System， SAE Paper 2003-01-0149.

［2］Refki El-Bourini and Samuel Chen. Engine Cooling Module Development Using Air Flow Management Techniques， SAE Paper 931115.

［3］袁俠義，谷正氣，楊易.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析［J］.汽車工程，2009，31（9）.

［4］邵世婷，周健.格柵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊性能影響的模擬與試驗(yàn)分析［c］.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2010.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)第二版［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2004.

［6］Ales Alajbegovic， Bing Xu， Alex Konstantinov， Joe Amodeo. Simulation of Cooling Airflow under Different Driving Conditions［J］. SAE International， 2007， 01， 0766.

專家推薦

張建東：

本文描述了位于整車前部的進(jìn)氣格柵后的冷卻模塊設(shè)計(jì)時(shí)，氣體流動(dòng)對(duì)冷卻效果影響的分析，進(jìn)而提出了車輛冷卻模塊設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵參數(shù)選擇的一般范圍。原理清晰，有測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，對(duì)設(shè)計(jì)工作有一定的借鑒意義。

Simulation on Cooling Effect of Front-end Cooling Module of Vehicle

FENG Yan-yan1，LI Yi-lin1， WANGLi-hua1， ZHANG Ning2
（1. Changan Automobile Co.Ltd， Chongqing， 400023， China； 2. BPSolution Technology Co.Ltd，Shanghai， 201101， China）

This paper studies the front end air flow uniformity relationship between CAE and physical test at various vehicle speeds. In addition， engine compartment parts' effect on radiator heat rejection performance was studied. Analysis of thickness of condenser， shroud， air flow section and grille's effect on front air flow uniformity was done in this study.

uniformity； front end air flow； engine compartment

U467.3

A

1005-2550（2015）02-0018-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.005

2014-07-18