通過CFD分析平衡汽車熱性能和空氣動力性能

馮燕燕 李義林 王麗華

（重慶長安汽車股份有限公司）

目前，計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)已成為汽車領(lǐng)域不可或缺的研究分析工具。從90年代開始，CFD技術(shù)先后被用于車輛氣動阻力及熱性能方面的模擬分析[1]。傳統(tǒng)分析時，車輛熱性能和氣動阻力特性分析常需采用2套不同的CFD模型。本研究建立一套CFD模型同時對整車熱性能和氣動性能進(jìn)行計算分析，在模擬汽車?yán)鋮s性能的基礎(chǔ)上，擴展分析車身氣流阻力特性，并保證后者的結(jié)果在合理的可信范圍內(nèi)，以平衡2種性能，使汽車性能達(dá)到良好狀態(tài)。文章從CFD模型與求解方法、方案分析及綜合分析3個方面進(jìn)行論述。

1 模型與求解方法

CFD模型將以汽車前端冷卻模塊區(qū)域為重點，對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，而對發(fā)動機艙及后底盤做適當(dāng)簡化處理。模型網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，模型車身壁面設(shè)置邊界層。CFD模擬重要邊界包括：1）散熱器芯體，采用多孔介質(zhì)邊界，其壓降特性曲線，如圖1所示；2）風(fēng)扇效應(yīng)，采用壓強躍升模型[2]，其壓降特性曲線，如圖2所示。

文章以70，100，180 km/h 3種車速工況進(jìn)行汽車?yán)鋮s性能的模擬；以180 km/h車速工況作為代表進(jìn)行車身氣動阻力特性的模擬。具體的數(shù)值計算步驟是：首先，在絕熱狀態(tài)下，對計算域進(jìn)行迭代計算，生成一個穩(wěn)定的初始流場分布；然后，激活能量方程進(jìn)行耦合迭代。求解器湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，變量離散格式采用二階迎風(fēng)格式[3]。

2 案例介紹

為了充分說明本分析的方法，以高性能散熱器作為參照，對3種不同方案模型進(jìn)行模擬比較分析，如表1所示。其中高性能散熱器與中性能散熱器的相關(guān)換熱性能參數(shù)，如圖3所示。

表1 汽車前端散熱優(yōu)化方案介紹

3 結(jié)果分析

3.1 冷卻性能分析

圖4～圖6分別示出3種方案散熱器上部冷卻液溫度、流經(jīng)散熱器氣流速率及發(fā)動機艙進(jìn)氣溫度變化值比較。對比圖4～圖6可以看出：1）對于方案1，去除車牌照時，3種車速工況散熱器上部水箱內(nèi)冷卻液的溫度均有下降趨勢，車速180km/h工況下降幅度達(dá)0.5℃，如圖4所示。另外，由于通過散熱器冷空氣量增大，如圖5所示，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動機艙空氣溫度有所降低，如圖6所示。2）對于方案2，更換中等性能散熱器后，盡管由于氣流壓降減小，通過散熱器氣流量增大，但未彌補散熱器散熱效率較差的影響，整體冷卻性能下降。3）對于方案3，去除汽車標(biāo)志有利于發(fā)動機冷卻。具體表現(xiàn)為：散熱器上部水箱內(nèi)冷卻液的溫度下降1℃左右，而進(jìn)入發(fā)動機艙的氣流溫度大約下降2℃，且通過散熱器的氣流量增加約3%。

3.2 氣動阻力分析

圖7和圖8分別示出3種方案在車速為180 km/h工況時，車身總的空氣阻力變化及總阻力分解后的結(jié)果。從圖7和圖8中可知：1）對于方案1，車牌照對車身空氣阻力的影響不大，主要是因為車身壁面所貢獻(xiàn)的阻力大小與熱交換器和風(fēng)扇葉片的貢獻(xiàn)值相當(dāng)；2）對于方案2，更換散熱器后，熱交換器阻力減小，但由于車身壁面和風(fēng)扇葉片阻力增大明顯，因此，汽車總的空氣阻力增大，風(fēng)阻系數(shù)約為0.008；3）方案3與方案1結(jié)果相似，說明汽車標(biāo)志對車身空氣阻力的影響不顯著。

3.3 綜合分析

由于文中CFD模型同時模擬了汽車散熱器熱交換過程和車身空氣阻力特性，因此可以進(jìn)行綜合分析，通過平衡冷卻性能和氣動阻力2種特性結(jié)果，以提高汽車的綜合性能。

對比圖6和圖7中方案2的模擬結(jié)果可知，雖然進(jìn)入發(fā)動機艙的氣流溫度有降低趨勢，但車身氣流阻力卻相應(yīng)地增大。因此，若想降低成本，將高等性能散熱器更換成中等性能散熱器，就需接受散熱器上部冷卻液的溫度上升2℃。因此，在汽車研發(fā)過程中，需要綜合考慮車輛散熱性和空氣動力阻力特性，找到各影響因子的平衡點，得到最佳方案。另外，從圖7可以看出，方案1和方案3的車身阻力改變值大小近似，但方案3的冷卻性能要比方案1的好，如圖4所示。

4 結(jié)論

汽車性能綜合分析方法較傳統(tǒng)單一指標(biāo)分析方法更全面與合理，有利于研究人員對汽車性能做更詳細(xì)和真實的評價。文章基于商用Fluent軟件，建立了統(tǒng)一的CFD模型，同時對某一車型汽車?yán)鋮s性能和空氣阻力特性進(jìn)行了模擬，綜合考慮2種性能分析結(jié)果，認(rèn)為方案3要比方案1更優(yōu)，更具有實際操作價值。采用綜合分析方法，實現(xiàn)了在保證不明顯增加風(fēng)阻的前提下，提高了發(fā)動機冷卻性能的目標(biāo)。在汽車?yán)鋮s性能開發(fā)方面有一定實際借鑒意義。