整車(chē)?yán)鋮s模塊聚風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

殷紅敏，楊棟，翁銳，翟曉紅

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車(chē)?yán)鋮s模塊聚風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

殷紅敏，楊棟，翁銳，翟曉紅

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨向模塊化、緊湊化設(shè)計(jì)，在前端布置空間有限的情況下，為了提升冷卻系統(tǒng)的性能，無(wú)法僅僅提升風(fēng)扇、散熱器或者冷卻水泵的工作能力來(lái)達(dá)到。作為空氣動(dòng)力學(xué)的延伸應(yīng)用，在不改變其他部件性能的情況下，從改善整車(chē)通風(fēng)性能的角度出發(fā)，對(duì)整車(chē)機(jī)艙部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行約束，利用CFD手段，設(shè)計(jì)聚風(fēng)結(jié)構(gòu)，改善整車(chē)?yán)鋮s模塊的通風(fēng)效果，從而提高整體性能；并且這一改善還可以降低整車(chē)的風(fēng)阻，從而降低油耗，符合目前節(jié)能減排的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

冷卻系統(tǒng)；CFD；聚風(fēng)結(jié)構(gòu)；熱管理；風(fēng)阻；降油耗

Abstract:The structure of the vehicle cooling system are becoming more and more modular, compact design, decorate in the frond-end under the condition of limited space, in order to improve the performance of the cooling system, cannot ascend only fan, radiator and cooling water pump working ability to achieve. As an extension of the aerodynamic applications,without changing performance under the condition of other parts, from the perspective of improving vehicle ventilation performance, with constraints on the design of the vehicle engine parts, using CFD method, design the wind structure,improve the ventilation effect of the vehicle cooling module, thus improve the overall performance; And this improvement can also reduce the wind resistance of the vehicle, thus reducing the fuel consumption, which is in line with the current design trend of energy conservation and emission reduction.

Keywords: Cooling system; CFD; Gather wind structure; Thermal management; Wind resistance; Fuel consumption reduction

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-75-04

引言

隨著CFD分析軟件功能的日漸強(qiáng)大，整車(chē)前端冷卻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)性越來(lái)越高，前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不再僅僅局限于裝配冷卻系統(tǒng)、美觀等作用。新的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求從整車(chē)整車(chē)熱管理的角度進(jìn)行考慮，合理的設(shè)計(jì)布置各部件的結(jié)構(gòu)，保證可靠性的前提下，通過(guò)一些列的CFD分析對(duì)比，對(duì)整車(chē)?yán)鋮s模塊的通風(fēng)性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的進(jìn)風(fēng)效果。

從改善整車(chē)通風(fēng)性能的角度出發(fā)，針對(duì)某 MPV車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)研究，借助于一系列的CFD分析優(yōu)化，在現(xiàn)有布置邊界不變的前提下，設(shè)計(jì)合理的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)，改善整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的通風(fēng)性能，從而提升整車(chē)?yán)鋮s效果。同時(shí)，在一定程度上改善整車(chē)氣流流向，降低風(fēng)阻，改善了整車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，降低油耗，契合當(dāng)今節(jié)能減排的大的發(fā)展趨勢(shì)。

1 整車(chē)前端模塊的組成結(jié)構(gòu)

一般來(lái)講，整車(chē)前端冷卻模塊的相關(guān)部件包括進(jìn)氣格柵、前保險(xiǎn)杠、FEM、防撞梁、冷凝器、散熱器、風(fēng)扇、空氣動(dòng)力學(xué)套件以及一系列相關(guān)的管路系統(tǒng)。其中進(jìn)氣格柵、前保杠、FEM、防撞梁主要是作為主冷卻模塊的設(shè)計(jì)邊界存在，不僅僅起到裝配固定的作用，同時(shí)，還為主冷卻模塊提供進(jìn)氣氣流，且于整車(chē)的冷卻性能強(qiáng)相關(guān)，所以，整車(chē)的造型設(shè)計(jì)不僅需要考慮美觀，同時(shí)還需要兼顧工程性能需求，在造型要求的邊界下，盡可能的保證進(jìn)風(fēng)需求。

1.1 進(jìn)氣格柵開(kāi)口面積

進(jìn)氣格柵開(kāi)口面積是與整車(chē)?yán)鋮s性能密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)又對(duì)整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)有著重要影響，減小格柵開(kāi)口面積有利于減小風(fēng)阻系數(shù)，因此，需要找到二者兼顧的最優(yōu)方案。

在造型階段，通過(guò)CFD仿真分析，確定進(jìn)氣格柵的開(kāi)口位置，進(jìn)氣格柵進(jìn)風(fēng)口位置要同時(shí)考慮壓力分布，最好位于正壓區(qū)域位置。出風(fēng)口的位置根據(jù)類(lèi)似原理，要位于負(fù)壓區(qū)域位置，以提高進(jìn)氣效率，如圖1所示，展示了一個(gè)典型的轎車(chē)外表面壓力分布的示意，車(chē)輛格柵的最佳開(kāi)口位置應(yīng)處在前端的正壓區(qū)位置；

圖1 典型轎車(chē)外表面壓力分布

按照正投影的方法，對(duì)進(jìn)氣格柵開(kāi)口面積進(jìn)行計(jì)算。按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，要求進(jìn)風(fēng)面積不低于30%（經(jīng)過(guò)大量車(chē)型格柵測(cè)量調(diào)研后得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）；

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)CFD仿真分析，對(duì)前端模塊的詳細(xì)布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)套件，如聚風(fēng)結(jié)構(gòu)等，在保證冷卻性能的前提下，盡可能降低整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)；

在試制和試驗(yàn)驗(yàn)證階段，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)，確定格柵最終開(kāi)口面積，保證整車(chē)氣動(dòng)性能和熱平衡性能的最佳匹配。

1.2 冷卻模塊的布置方案

在總布置設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮冷卻模塊的布置，包括角度、位置以及氣流通道的設(shè)計(jì)。前端冷卻模塊的布置在總布置概念設(shè)計(jì)階段就應(yīng)確定，以便于獲得整車(chē)熱平衡和氣動(dòng)性能的最佳綜合性能。

冷卻效率達(dá)到期望值后，可以通過(guò)封堵部分進(jìn)氣格柵，在不影響整車(chē)熱平衡性能的前提下，降低氣動(dòng)阻力。

1.2.1 安裝角度

熱交換器如中冷器、冷凝器和散熱器應(yīng)根據(jù)其前部氣流方向，保證其布置與氣流方向垂直，提高通過(guò)冷卻模塊的風(fēng)量和冷卻性能。

1.2.2 安裝位置

前端冷卻模塊在布置的過(guò)程中，應(yīng)盡量避開(kāi)防撞梁等前端較大部件，避免造成對(duì)冷卻模塊進(jìn)風(fēng)的阻擋，影響進(jìn)氣效率。

減小前保險(xiǎn)杠和前防撞梁等對(duì)冷卻氣流的阻擋； 前防撞梁布置在保險(xiǎn)杠車(chē)牌安裝區(qū)域內(nèi)，有利于減小其對(duì)氣流的阻擋，提高冷卻效率；進(jìn)氣格柵到前端冷卻模塊之間除必要的結(jié)構(gòu)件（防撞梁、密封板外），不要有其他零部件阻擋；冷卻模塊中心應(yīng)靠近主要進(jìn)氣格柵（通常是下格柵，因?yàn)楦駯畔露碎_(kāi)口進(jìn)風(fēng)效果要明顯好于上端開(kāi)口）中心。

1.3 聚風(fēng)結(jié)構(gòu)

為了提高進(jìn)氣效率，防止怠速回流等情況的發(fā)生，通?？紤]通過(guò)在冷卻模塊四周到前進(jìn)氣格柵之間增加聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的方式，引導(dǎo)氣流有效通過(guò)冷卻模塊，改善發(fā)艙壓力，提升冷卻模塊的工作效率。

1.4 氣流出口

通常情況下，冷卻氣流出口位置應(yīng)位于氣流壓力較低的車(chē)體底部，可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD仿真的手段，找到位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的較低負(fù)壓區(qū)域。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)避免出口位置存在正壓，否則將嚴(yán)重影響機(jī)艙熱平衡性能。氣流管理的核心在于氣流流經(jīng)發(fā)艙后，能以最快的速度離開(kāi)，不能出現(xiàn)氣流滯留的問(wèn)題，因此，合理的設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)非常重要。

2 某MPV車(chē)型聚風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題提出

某 MPV車(chē)型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，整車(chē)熱平衡性能不達(dá)標(biāo)，但是因?yàn)檐?chē)型已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)到位（如圖2），前端冷卻模塊開(kāi)發(fā)完成，已不允許在散熱器或者風(fēng)扇的性能上進(jìn)行提升。因此，提出從改善整車(chē)通風(fēng)性能的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)合理的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)，提升冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量。

圖2 目前方案

2.2 現(xiàn)方案分析

利用STSR-CCM+CFD仿真分析軟件，建立整車(chē)CFD模型，計(jì)算通過(guò)冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量。

計(jì)算相關(guān)基本理論參見(jiàn)參考文獻(xiàn)7。

2.2.1 建模過(guò)程

幾何準(zhǔn)備：將整車(chē)CAD模型導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中，對(duì)整車(chē)模型按照系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行劃分，對(duì)幾何模型進(jìn)行封閉及分塊處理，為下一步體網(wǎng)格生成、邊界設(shè)置及后處理做好準(zhǔn)備，如圖3所示；

圖3 整車(chē)模型封閉劑分塊處理

生成網(wǎng)格：對(duì)模型進(jìn)行包面處理并生成體網(wǎng)格，圖4所示；

圖4 整車(chē)模型生成體網(wǎng)格

參照行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算域設(shè)置12m×20m ×60m，生成網(wǎng)格總數(shù)約3300萬(wàn)。

設(shè)置邊界：將物理模型應(yīng)用到邊界上，包括對(duì)空氣側(cè)/冷卻水側(cè)進(jìn)行設(shè)置、給發(fā)熱部件設(shè)置溫度、對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)置等，如圖5所示；

圖5 邊界應(yīng)用

求解計(jì)算：設(shè)置迭代計(jì)算的次數(shù)或計(jì)算中止的條件后開(kāi)始計(jì)算；

圖6 計(jì)算結(jié)果

后處理：查看計(jì)算結(jié)果，當(dāng)殘差曲線處于約10E-4時(shí)，且震蕩較小，表明計(jì)算區(qū)域收斂，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，表明計(jì)算結(jié)束，保存計(jì)算文件，截取一系列典型截面，將分析結(jié)果以云圖的形式反映出來(lái)，并配以文字說(shuō)明，如圖7所示。

注：如殘差曲線計(jì)算最后出現(xiàn)上翹，或者不收斂，結(jié)果發(fā)散，那么需要復(fù)盤(pán)網(wǎng)格模型質(zhì)量，重新生成高質(zhì)量的網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算。

圖7 目前方案計(jì)算結(jié)果云圖

2.2.2 問(wèn)題確認(rèn)

通過(guò)整車(chē)CFD分析，可以看出在冷卻模塊的上下端面存在嚴(yán)重的漏風(fēng)問(wèn)題，進(jìn)入格柵后的氣流由于下端無(wú)封堵，散熱器本身存在一定的阻尼作用，導(dǎo)致氣流多數(shù)向低壓區(qū)流動(dòng)，實(shí)際通過(guò)散熱器的有效進(jìn)風(fēng)很少，導(dǎo)致通過(guò)冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量不足。

2.3 解決方案提出

因?yàn)榍岸四K存在嚴(yán)重的漏風(fēng)問(wèn)題，因此考慮設(shè)計(jì)合理的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)，保證進(jìn)風(fēng)效果。參照CFD分析流場(chǎng)結(jié)果，在冷卻模塊的四周均進(jìn)行封堵聚風(fēng)，解決方案如圖8所示；

圖8 解決方案

2.4 解決方案CFD分析

其余數(shù)模結(jié)構(gòu)保持不變，整車(chē)CFD模型中增加上下左右聚風(fēng)板，導(dǎo)入Part數(shù)據(jù)，重新生成網(wǎng)格，邊界及物理模型均保持不變，重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示；

圖9 解決方案計(jì)算結(jié)果云圖

通過(guò)分析可以確認(rèn)，增加聚風(fēng)板后，進(jìn)風(fēng)效果更好，通過(guò)前端模塊的進(jìn)風(fēng)量得到了明顯的提升，但是下聚風(fēng)板的結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)艙速度矢量云圖顯示，目前的結(jié)構(gòu)在導(dǎo)流板的下部存在一定的氣流滯留，影響了下部的進(jìn)風(fēng)，因此，需要將下導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)按照氣流走向進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 優(yōu)化后解決方案CFD分析

圖10 優(yōu)化后解決方案計(jì)算結(jié)果云圖

分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后的解決方案，氣流滯留問(wèn)題得到解決，冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量較優(yōu)化前有一定提升（參見(jiàn)表1）。

表1 目前方案及解決方案冷卻模塊風(fēng)量對(duì)比

2.6 問(wèn)題結(jié)論

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，聚風(fēng)結(jié)構(gòu)可以有效的解決前端模塊的漏風(fēng)，提升冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量；但是，聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅僅是簡(jiǎn)單的封裝，需要考慮氣流的實(shí)際流動(dòng)，最大限度的消除氣流回流、滯留等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)的最終確定需要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的CFD分析優(yōu)化，以保證最大進(jìn)風(fēng)效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)整車(chē)前端冷卻模塊的邊界設(shè)計(jì)及布置進(jìn)行闡述，參照以往的車(chē)型開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，提出針對(duì)冷卻系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)的相關(guān)約束條件，為后續(xù)車(chē)型冷卻系統(tǒng)聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)于某 MPV車(chē)型在前端模塊聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)的CFD分析優(yōu)化，最終找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在不改變現(xiàn)有冷卻模塊布置方案條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量的顯著提升。同時(shí)，設(shè)計(jì)聚風(fēng)結(jié)構(gòu)后，在一定程度上降低了整車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)，有利于整車(chē)降油耗。

[1] 大島龍一.構(gòu)筑合理的通風(fēng)系統(tǒng),XLJ1-151951,2000.

[2] 汽車(chē)工程編輯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)·設(shè)計(jì)篇,人民交通出版社.2000,182-183.

[3] STAR-CCM+教程.

[4] STAR-CD user manual.

[5] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析,[M]北京,清華大學(xué)出版社,2004.9.

[6] 陳懋章.粘性流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).[M]高等教育出版社.

[7] 谷正氣.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué).[M]人民交通出版社.

[8] John D.Anderson, Computational Fluid Dynamics, The Basics with Applications.

The Design of Gather Wind Structure of the Vehicle Cooling Module

Yin Hongmin, Yang Dong, Weng Rui, Zhai Xiaohong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-75-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.027

殷紅敏（1983-），底盤(pán)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)理/整車(chē)項(xiàng)目經(jīng)理，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事整車(chē)熱管理技術(shù)研究、整車(chē)燃油系統(tǒng)（國(guó)VI）技術(shù)研究、整車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)等。