基于CFD的某輕客中冷器性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，吳昌慶

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CFD的某輕客中冷器性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，吳昌慶

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用商用三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件和一維仿真軟件相結(jié)合，對(duì)某型車機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到中冷器周圍流場(chǎng)特性，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，提升通過(guò)中冷器的風(fēng)量。然后通過(guò)一維軟件對(duì)中冷器在整車上的性能進(jìn)行分析并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

CFD；機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)；中冷器三維；一維耦合

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-130-03

前言

隨著汽車工業(yè)己經(jīng)發(fā)展到比較完善的程度，由于非再生能源的緊缺、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重以及人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注汽車尾氣污染等排放問(wèn)題，不再僅僅滿足于汽車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能的提高，同時(shí)國(guó)家對(duì)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)中一個(gè)重要指標(biāo)。增壓中冷系統(tǒng)不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，還能夠顯著地降低污染物，對(duì)于改善和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能具有重要的意義。

目前，大多數(shù)對(duì)中冷器性能的研究主要集中在提高中冷器本體性能，如李志剛對(duì)中冷器單體性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配研究[1]；崔洪江、史雙佶、劉俊杰等對(duì)對(duì)增壓空氣側(cè)阻力性能和空氣散熱量進(jìn)行了數(shù)值分析[2]。

試驗(yàn)和數(shù)值模擬（CFD）是研究中冷器性能的主要手段。數(shù)值模擬相比于試驗(yàn)，其成本較低。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算精度不斷提高，完全可以滿足工程需求，在車型開(kāi)發(fā)前期，方案選取時(shí)，能發(fā)揮重要作用。本文先采用數(shù)值模擬的方式對(duì)中冷器在整車上的性能進(jìn)行研究分析，并提出相關(guān)優(yōu)化方案，使中冷器性能在整車上滿足其使用要求，然后進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

數(shù)值模擬CFD方法是汽車外部復(fù)雜流場(chǎng)的主要研究方法之一。求解雷諾平均NS方程是當(dāng)前數(shù)值計(jì)算的主要方法，需補(bǔ)充湍流模型對(duì)方程進(jìn)行封閉。湍流模型對(duì)于數(shù)值模擬汽車外流場(chǎng)的精度具有決定性影響。研究表明選用RNG kε湍流模型的效果較好，這種模型通過(guò)修正湍流粘度考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，本文即選用RNG k-ε湍流模型[3-7]。

1 基本方程和湍流模型

汽車車速一般遠(yuǎn)低于聲速，因而汽車周圍流場(chǎng)可以看作是三維不可壓縮流場(chǎng)，由于其外形復(fù)雜容易引起分離，所以應(yīng)按湍流處理。

其控制方程如下：

（1）連續(xù)方程

（2）運(yùn)動(dòng)方程

在RNG k-ε模型中，通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度有系統(tǒng)的從控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似。

湍流動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)耗散率ε方程：

其中，

2 一維三維耦合流程

圖1 一維三維耦合流程

先對(duì)整車機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行分析。得到整車上中冷器周圍流場(chǎng)分布和通過(guò)中冷器的風(fēng)量→一維中冷器性能分析→優(yōu)化三維流場(chǎng)，提升中冷器風(fēng)量→優(yōu)化后中冷器性能分析。

3 計(jì)算域與邊界條件

應(yīng)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬需要確定計(jì)算域的大小，整除流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算域外輪廓為一個(gè)長(zhǎng)方體形狀，汽車位于長(zhǎng)方體中的某個(gè)位置，用來(lái)模擬汽車風(fēng)洞試驗(yàn)段或者道路試驗(yàn)情況。根據(jù)汽車外流場(chǎng)的特點(diǎn)、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算成本，可選擇計(jì)算域大小為：入口距車輛前端3倍車長(zhǎng)，出口距車輛后端6倍車長(zhǎng)，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬。

計(jì)算工況為：60km/h爬坡工況和130km/h高速工況。湍流強(qiáng)度0.5%；出口壓力為p=0（相對(duì)于大氣壓）；考慮到地面效應(yīng)對(duì)汽車底部的氣流的影響，設(shè)置地面速度與來(lái)流大小方向相同；車身表面為固壁無(wú)滑移條件，其余流場(chǎng)壁面采用滑移條件；輪胎采用旋轉(zhuǎn)壁面；中冷器、冷凝器、散熱器采用多孔介質(zhì)模型；風(fēng)扇采用MRF模型。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 三維流場(chǎng)計(jì)算分析與優(yōu)化

該車型中冷器與冷凝器、散熱器采用上下布置形式。中冷器冷側(cè)進(jìn)氣主要依靠下格柵，而且中冷器周圍已設(shè)計(jì)有導(dǎo)風(fēng)圈，因此下格柵進(jìn)氣量的多少直接影響到中冷器冷側(cè)進(jìn)氣量，從而影響中冷器性能。

圖2為原始模型分析結(jié)果。從圖中可以看到，前方來(lái)流流經(jīng)下格柵上方前保時(shí)，受前保的阻擋，部分氣流向上流入上格柵，部分氣流向下流動(dòng)，由于下格柵下方比較靠后而下格柵上方比較靠前，導(dǎo)致被前保阻擋而向下流動(dòng)的氣流很少一部分可以通過(guò)下格柵進(jìn)入機(jī)艙通過(guò)中冷器，通過(guò)中冷器冷側(cè)的進(jìn)氣量少，導(dǎo)致中冷器換熱性能差，最終將不能滿足中冷器在整車上的性能要求。

圖2 原始模型分析結(jié)果

圖3 優(yōu)化示意圖

根據(jù)原始模型分析結(jié)果結(jié)合中冷器在整車上的布置形式，對(duì)前保進(jìn)行優(yōu)化，將前保下唇（下格柵下方）前移40mm，如圖3所示。

圖4為優(yōu)化后分析結(jié)果。與圖2原始模型分析結(jié)果對(duì)比可以看到，優(yōu)化后，下格柵進(jìn)氣量明顯增加，這也意味著通過(guò)中冷器的流量將明顯增加。

圖4 優(yōu)化后分析結(jié)果

圖5為優(yōu)化前后中冷器表面風(fēng)速分布對(duì)比。從圖中可以看到，不同工況下，優(yōu)化后，中冷器表面風(fēng)速均明顯增加。

圖5 優(yōu)化前后中冷器表面風(fēng)速對(duì)比

表1為不同工況下，優(yōu)化前后通過(guò)中冷器風(fēng)量對(duì)比，從表中數(shù)據(jù)可以看到，V=60km/h、V=130km/h工況下，通過(guò)中冷器的風(fēng)量分別增加了265.2%和117.6%。

表1 優(yōu)化前后中冷器風(fēng)量對(duì)比

4.2 一維中冷器性能分析

根據(jù)整車中冷器性能要求，需滿足中冷器熱側(cè)出風(fēng)溫度≤環(huán)境溫度+25℃。

圖6為中冷器性能分析原理圖。中冷器熱側(cè)風(fēng)量570kg/h，溫度180℃。中冷器冷側(cè)采用三維計(jì)算出的風(fēng)量，環(huán)境溫度40℃。也就是說(shuō)熱側(cè)出風(fēng)溫度≤65℃時(shí)，滿足該中冷器在整車上的適用需求。

表2為優(yōu)化前后分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從表中數(shù)據(jù)可以看到，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖6 中冷器性能分析原理圖

表2 優(yōu)化前后中冷器熱側(cè)出風(fēng)溫度與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

5 總結(jié)

（1）本文采用CFD技術(shù)對(duì)整車上的中冷器周圍氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬，并提出了優(yōu)化措施，有效提高了中冷器冷側(cè)進(jìn)風(fēng)量；

（2）采用一維、三維耦合的方式對(duì)中冷器在整車上的表現(xiàn)進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，吻合度較高；可以滿足工程需求；

（3）采用CFD技術(shù)，大大縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。

[1] 李志剛.基于CFD技術(shù)的柴油機(jī)中冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與匹配研究[D].天津大學(xué), 2007.

[2] 崔洪江,史雙佶,劉俊杰,李明海. DF_(4C)型機(jī)車中冷器CFD性能仿真分析[J].內(nèi)燃機(jī),2011,(04):13-16+22+51.

[3] Hucho W H. Aerodynamics of Road Vechicles. 1987.

[4] S N Singh, LRai, P Puri, A Bhatnagar. Effect of moving surface on the aerodynamic drag of road vehicles. J. Automobile Engineering 2005.

[5] Masaru KOIKE, Tsunehisa NAGAYOSHI, Naoki HAMAMOTO. Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators. MITSUBISI MOTORS technical review 2004 No.16 .

[6] 谷正氣主編. 汽車空氣動(dòng)力學(xué). 北京：人民交通出版社[M],2005.

[7] 谷正氣,李學(xué)武,何憶斌. 汽車減阻新方法[J]. 汽車工程,2008,(05): 441-443+448.

The 1D and 3D coupling analysis on inter-cooler of van

Liu Congcong, Hu Jie, Wu Changqing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

The flow field in engine room and around inter-cooler is simulated by using 3D CFD software. Then the performance of inter-cooler is simulated by using 1D simulated software. By optimizing the airflow around inter-cooler and engine room, the air flow rate through inter-cooler and its performance are improved. The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.

Computational fluid dynamics (CFD); flow field in engine room; 1D and 3D coupling

U467

A

1671-7988 (2017)15-130-03

劉聰聰（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.048