某SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD仿真計(jì)算與優(yōu)化

朱晴　陳群　張艷芳　侯亞邦

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

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某SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD仿真計(jì)算與優(yōu)化

朱晴陳群張艷芳侯亞邦

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

【摘要】汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性直接受發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱效率的影響。針對(duì)某款SUV車型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)初期發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)狀況進(jìn)行三維CFD仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)從整車格柵外側(cè)流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣體在機(jī)艙頂部與底部泄漏嚴(yán)重，同時(shí)出現(xiàn)熱回流現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題提出3種改進(jìn)方案，在考慮方案實(shí)施復(fù)雜程度、艙內(nèi)空間尺寸和改善效果的情況下對(duì)3種方案的可行性進(jìn)行仿真對(duì)比分析，得出方案2改進(jìn)效果最優(yōu)。

1　前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙是一個(gè)半封閉的空間，艙內(nèi)結(jié)構(gòu)布置非常緊湊，散熱比較困難。在新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果前期未充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件總成布置對(duì)機(jī)艙內(nèi)氣流分布的影響，容易形成冷卻空氣回流，且循環(huán)加熱造成機(jī)艙整體或局部溫度過(guò)高[1]。有文獻(xiàn)研究表明，汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性直接受發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱效率的影響[2,3]，若發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過(guò)高，會(huì)使冷卻水溫升高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率下降，導(dǎo)致汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性大幅下降。高溫還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件的可靠性降低，甚至局部高溫還可能導(dǎo)致汽車自燃，造成生命財(cái)產(chǎn)損失[4、5]。因此，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)和散熱性能的研究就愈顯重要。

本文針對(duì)某新開(kāi)發(fā)SUV車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行三維CFD仿真，分析艙內(nèi)空氣流動(dòng)與熱環(huán)境狀況，并根據(jù)存在的問(wèn)題提出優(yōu)化方案。

2　計(jì)算模型與計(jì)算方法

2.1計(jì)算模型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件排布緊密且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了能夠得到比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，仿真所用模型為1∶1的全尺寸三維汽車模型，模型中完全保留發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的所有關(guān)鍵部件，且車身、底盤等部件也盡量保持真實(shí)結(jié)構(gòu)特征。該車型前端冷卻模塊布置方式為CRFM形式[6]，即冷凝器、散熱器和風(fēng)扇按序排列的形式，此外低溫散熱器布置在冷凝器下部。同時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，適當(dāng)省去電子線束、空調(diào)管路等對(duì)流動(dòng)影響較小的細(xì)小部件，仿真模型如圖1和圖2所示。

2.2三維模型計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

由于氣體在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)受到外流場(chǎng)的影響，因此采用適用于外流場(chǎng)的計(jì)算域，三維計(jì)算域模型如圖3所示。為了提高計(jì)算精度，確保計(jì)算穩(wěn)定和加快計(jì)算收斂，依據(jù)流場(chǎng)在各區(qū)域變化程度的不同，對(duì)體網(wǎng)格按區(qū)域進(jìn)行不同程度的細(xì)化，并將整車生成邊界層，使用Star ccm+中Trim網(wǎng)格形式生成體網(wǎng)格，數(shù)量約為1 200萬(wàn)。計(jì)算模型中截面網(wǎng)格如圖4所示。

圖1　整車模型

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部模型

圖3　三維計(jì)算域模型

2.3計(jì)算邊界條件

計(jì)算域入口采用速度入口，出口采用壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。換熱器包括高溫散熱器、冷凝器、低溫散熱器，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬氣流在其厚度方向的壓力降，阻尼系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。風(fēng)扇采用雙重參考模型（MRF）方式處理。

3　計(jì)算結(jié)果分析

仿真計(jì)算主要在4種典型熱平衡工況下進(jìn)行，具體工況如表1所列。

3.1換熱器入口面上速度分布

3.1.1高溫散熱器入口面上速度分布

4種工況下高溫散熱器入口面上速度分布如圖5所示。

圖5　4種工況高溫散熱器入口面上速度分布

從圖5可以看出，隨著車速增大，高溫散熱器入口面上速度也相應(yīng)增大，但受單風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及冷卻模塊布置位置的影響，該散熱器進(jìn)口速度分布不均勻，邊緣有低速區(qū)，下部有高速區(qū)。另外，在怠速工況下，由于主要?dú)饬鱽?lái)自風(fēng)扇的抽吸作用，因此速度較低。

3.1.2冷凝器和低溫散熱器入口面上速度分布

4種工況下冷凝器與低溫散熱器入口面上速度分布如圖6所示，其中上部分為冷凝器，下部分為低溫散熱器?？芍?，由于受上、下格柵形狀及冷卻模塊位置的影響，冷凝器與低溫散熱器入口面上速度分布都很不均勻，冷凝器中間有高速區(qū)，低溫散熱器中間有低速區(qū)，且怠速工況下速度也較低。

圖6　4種工況冷凝器與低溫散熱器入口面上速度分布

3.2機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)分布

工況1y=0對(duì)稱面上速度分布矢量圖如圖7所示。怠速工況高溫散熱器出口流線如圖8所示。

圖7　工況1y=0對(duì)稱面上速度分布矢量圖

圖8　怠速工況高溫散熱器出口流線

由圖7可知，通過(guò)上格柵進(jìn)入機(jī)艙的氣體，一部分進(jìn)入前端冷卻模塊對(duì)散熱部件進(jìn)行冷卻，另外一部分沿著機(jī)艙上部向后流動(dòng)；通過(guò)下格柵進(jìn)入機(jī)艙的氣體，一部分進(jìn)入冷凝器和低溫散熱器對(duì)其進(jìn)行冷卻，而大部分氣體從機(jī)艙底部和兩側(cè)向后流動(dòng)，其中一部分從低溫散熱器下部流過(guò)進(jìn)入高溫散熱器下部，當(dāng)車速增大時(shí)，這種趨勢(shì)有所下降。換熱器的進(jìn)氣來(lái)源主要為上格柵的兩個(gè)下進(jìn)氣口和下格柵，當(dāng)車速較低時(shí)，會(huì)有機(jī)艙后部的氣體回流至換熱器前。這是由于車輛在低速行駛時(shí)，風(fēng)扇對(duì)空氣的流動(dòng)起很大作用，空氣在風(fēng)扇的抽吸作用下通過(guò)進(jìn)氣格柵流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。

機(jī)艙對(duì)稱面壓力分布如圖9所示。

圖9　機(jī)艙對(duì)稱面壓力分布

由圖9可知，氣流經(jīng)過(guò)冷凝器和散熱器后溫度升高，冷卻模塊后方溫度高于前方，且由于風(fēng)扇的壓升作用，冷卻模塊后方形成一個(gè)高壓區(qū)，高溫氣流從風(fēng)扇后方溫度和壓力較高的區(qū)域繞過(guò)冷卻模塊，流向冷凝器前方溫度及壓力較低的區(qū)域。而當(dāng)車速較高時(shí)，風(fēng)扇的壓升作用會(huì)減弱，冷卻模塊前后壓差降低，基本不存在熱空氣回流再次進(jìn)入冷卻模塊的情況。此外，進(jìn)氣格柵內(nèi)側(cè)壓力會(huì)低于外側(cè)壓力，壓差對(duì)外界空氣流入格柵有推動(dòng)作用。在怠速工況時(shí)，由于存在回流，使冷卻模塊前方空氣溫度較高，壓力也有所升高，導(dǎo)致格柵內(nèi)外側(cè)壓差減小，對(duì)格柵進(jìn)氣的推動(dòng)作用減弱，使格柵進(jìn)氣量減少。

由于單風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及格柵進(jìn)風(fēng)角度的影響，冷凝器、高溫散熱器和低溫散熱器的進(jìn)口速度分布不均勻，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)使其壽命降低。氣體從格柵進(jìn)入機(jī)艙時(shí)，一部分進(jìn)入前端冷卻模塊，另一部分從機(jī)艙上部、下部及兩側(cè)流向后方，并沒(méi)有對(duì)高溫部件起到冷卻作用。熱空氣回流會(huì)導(dǎo)致流入冷卻模塊的冷空氣流量減少，被加熱的高溫氣體再次進(jìn)入散熱器，導(dǎo)致散熱量減少，散熱器散熱能力不能滿足要求，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能。

3.3排氣側(cè)流場(chǎng)分布

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)表面速度分布如圖10所示?？芍?，熱負(fù)荷高的區(qū)域氣體流速相對(duì)較高，排氣管隔熱罩及油底殼周圍的氣體流速接近于4 m/s，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10　發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)表面速度分布

4　優(yōu)化方案

對(duì)原車型進(jìn)行一維冷卻系統(tǒng)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)工況1有超溫現(xiàn)象，因此需要對(duì)原車型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。根據(jù)原車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)分布和結(jié)果分析，提出將單風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改成雙風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，適當(dāng)調(diào)整前格柵進(jìn)風(fēng)角度，也可以在前端冷卻模塊周圍加裝擋風(fēng)板進(jìn)行密封，或者將冷卻模塊尺寸增大以增加換熱能力和空氣流量等優(yōu)化方案。

綜合考慮成本、技術(shù)復(fù)雜程度、空間尺寸和改善效果，決定采用加裝擋風(fēng)板和增大冷卻模塊尺寸兩種改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行新一輪的仿真計(jì)算分析。兩種改進(jìn)措施的設(shè)計(jì)方案如圖11～圖13所示，其中方案1是在高溫散熱器兩側(cè)、低溫散熱器兩側(cè)和底部加裝擋風(fēng)板，其中高溫散熱器加裝的為兩細(xì)條平行擋風(fēng)板，低溫散熱器底部擋風(fēng)板與下格柵區(qū)域相連，兩側(cè)的擋風(fēng)板距離車身前端進(jìn)氣格柵有一定距離；方案2是在冷卻模塊上部、兩側(cè)和底部都加裝擋風(fēng)板，且頂部與底部的擋風(fēng)板與進(jìn)氣格柵區(qū)域相連接；方案3是增大高溫散熱器和風(fēng)扇尺寸，且由于其它參數(shù)需求，下格柵進(jìn)風(fēng)面積有所減小。

圖11　方案1

圖12　方案2

圖13　方案3

5　優(yōu)化結(jié)果分析

5.1優(yōu)化后機(jī)艙流場(chǎng)分析

分別針對(duì)4種典型工況對(duì)改進(jìn)后的3種方案進(jìn)行仿真計(jì)算，以工況1為例（熱負(fù)荷最苛刻），其對(duì)稱面的速度分布云圖如圖14～圖17所示。

圖14　原車型對(duì)稱面速度分布

圖15　優(yōu)化方案1對(duì)稱面速度分布

圖16　優(yōu)化方案2對(duì)稱面速度分布

圖17　優(yōu)化方案3對(duì)稱面速度分布

由圖14可以看出，氣流從機(jī)艙上部與底部泄漏嚴(yán)重，導(dǎo)致進(jìn)氣利用率較低。由圖15～圖17可知，方案1盡管上部氣流仍有泄漏，但下部加擋風(fēng)板后，從下格柵進(jìn)入的氣體一部分進(jìn)入冷凝器，一部分進(jìn)入低溫散熱器，還有少部分繞過(guò)低溫散熱器流入高溫散熱器；方案2上部與下部都加擋風(fēng)板后，從格柵進(jìn)入的氣體基本全部進(jìn)入前端冷卻模塊，進(jìn)氣利用率較高，散熱能力較強(qiáng)，但局部有小漩渦出現(xiàn)；方案3中顯示雖然上部與下部仍有氣體泄漏，但由于散熱器和風(fēng)扇尺寸都加大，所以前端冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量仍有所增加。

5.2優(yōu)化后換熱器與格柵進(jìn)風(fēng)量分析

工況1不同位置進(jìn)風(fēng)量如表2所列。

表2　工況1不同位置進(jìn)風(fēng)量　kg/s

從表2可以看出，高溫散熱器與冷凝器的進(jìn)風(fēng)量是依次增加的，說(shuō)明3種改進(jìn)方案均有改進(jìn)效果。由于方案3中下格柵進(jìn)風(fēng)面積減小，所以導(dǎo)致方案3中低溫散熱器與下格柵進(jìn)氣量有所減少；方案2中上部與下部均有擋風(fēng)板，使得從格柵進(jìn)入的氣流都要流經(jīng)換熱器，進(jìn)氣利用率較高，但氣流的通暢性較差，導(dǎo)致格柵內(nèi)外壓差減小，所以格柵的進(jìn)氣量與原方案和方案1相比有所減小，并容易出現(xiàn)漩渦。

5.3優(yōu)化后換熱器進(jìn)風(fēng)溫度分析

工況1不同位置進(jìn)風(fēng)溫度如表3所列。

表3　工況1不同位置進(jìn)風(fēng)溫度　℃

由表3可知，從原方案到方案3，高溫散熱器進(jìn)風(fēng)溫度是依次降低的；方案3中下格柵進(jìn)風(fēng)面積減小，所以低溫散熱器與冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度稍有升高，但升高幅度不大。

5.4優(yōu)化后格柵進(jìn)氣利用率

汽車前端的結(jié)構(gòu)變化會(huì)引起格柵進(jìn)氣量以及進(jìn)入冷卻模塊的空氣流量發(fā)生變化，因此引入格柵進(jìn)氣利用率來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能。格柵進(jìn)氣利用率定義為經(jīng)過(guò)高溫散熱器的空氣占由格柵進(jìn)入空氣的比值。

4種方案不同工況下格柵進(jìn)氣利用率如表4所列。

表4　4種方案不同工況下格柵進(jìn)氣利用率　%

從表4可以看出，同種工況下，不同方案利用率是逐漸升高的，說(shuō)明改進(jìn)效果明顯。

對(duì)于3種改進(jìn)方案，從換熱器進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)速度和進(jìn)風(fēng)溫度3個(gè)方面考慮，方案2和方案3改進(jìn)效果顯著，但方案3將散熱器和風(fēng)扇尺寸加大，并不能阻擋熱空氣回流至冷卻模塊，還會(huì)消耗能量，增加噪聲，所以綜合考慮方案2為最優(yōu)。

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在4種典型工況下對(duì)某SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維CFD仿真模擬，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)情況，得出以下結(jié)論：

a.原始模型中氣體從格柵進(jìn)入后一部分流過(guò)前端冷卻模塊進(jìn)行冷卻；一部分從機(jī)艙上部、底部與兩側(cè)向后流動(dòng)，泄漏嚴(yán)重。在怠速工況下，機(jī)艙內(nèi)有冷卻空氣回流現(xiàn)象。

b.冷卻風(fēng)扇在車速低時(shí)工作效果明顯，而車速高時(shí)工作效果較差。

c.針對(duì)原始模型存在的問(wèn)題，提出3種改進(jìn)方案并對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算分析。綜合考慮得出方案2最優(yōu)，改進(jìn)效果顯著。其在熱負(fù)荷最為苛刻工況下，高溫散熱器進(jìn)風(fēng)量提高了9 %，高溫散熱器進(jìn)風(fēng)速度提高了10 %，入口風(fēng)溫降低了6 %，格柵進(jìn)氣利用率也從40.07 %提高到51.12 %。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年11月1日。

Underhood CFD Simulation and Optimization of a SUV

Zhu Qing, Chen Qun, Zhang Yanfang, Hou Yabang （China FAW Co., Ltd R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】Vehicle dynamic property and fuel economy are directly affected by underhood heat dissipation efficiency. In this research, underhood air flow of a SUV is simulated with 3D CFD software in the early development stage, and the air which flows into underhood from out of vehicle grille is found leak seriously at the top and bottom of underhood, and thermal reflow also arises. For this issue, three modifications are put forward, whose feasibilities are simulated, compared and analyzed with consideration of complexity of implementation, compartment space dimensions and improvement effect, and it is concluded that modification 2 has the best effect.

Key words:SUV, Underhood, Flow field, Numerical simulation, Optimization

中圖分類號(hào):U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）01-0001-05

主題詞:SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)數(shù)值模擬優(yōu)化