防撞梁優(yōu)化對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s氣流的影響

李田田，劉曉輝，龐加斌，王建新，朱志軍，張 俊

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804；2.上海大眾汽車(chē)有限公司TEGG部，上海 201804）

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量已連續(xù)8年位居世界第一。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為了節(jié)能減排，許多主機(jī)廠都做了大量的研究工作，如車(chē)身輕量化、渦輪增壓技術(shù)、整車(chē)氣動(dòng)力減阻和發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理等。

由式（1）可知，在高速行駛下氣動(dòng)阻力對(duì)整車(chē)阻力具有顯著的影響。相關(guān)研究表明，當(dāng)車(chē)速超過(guò)60 km/h后，氣動(dòng)阻力超過(guò)滾動(dòng)阻力成為最主要的阻力因素[1]。

冷卻氣流主要是為整車(chē)上所有的熱源提供充足的散熱能力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)及零部件的安全運(yùn)行。由冷卻氣流引起的阻力通常被稱(chēng)為冷卻阻力，主要由內(nèi)部動(dòng)量損失和與外部氣流相互影響組成?，F(xiàn)今車(chē)輛的冷卻阻力占整車(chē)氣動(dòng)阻力的百分比可高達(dá)10%[2]。如式（2）所示，冷卻阻力可由整車(chē)氣動(dòng)阻力減去格柵全封閉狀態(tài)的氣動(dòng)阻力[3]得到。

為保證車(chē)輛在極端環(huán)境下的正常行駛，汽車(chē)?yán)鋮s模塊的冷卻能力設(shè)計(jì)往往是過(guò)量的，因此冷卻阻力有很大的優(yōu)化空間。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，例如冷卻氣流入口和出口對(duì)冷卻氣流影響的研究[2]；地面模擬系統(tǒng)，尤其是車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)冷卻氣流影響的研究[3-4]；格柵開(kāi)口、前防撞梁以及前端結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻氣流影響的研究[5]；冷卻氣流導(dǎo)風(fēng)板以及冷卻氣流出口對(duì)冷卻氣流影響的研究[6]；車(chē)輛爬坡或下坡?tīng)顟B(tài)對(duì)冷卻氣流影響的研究[7]；防撞梁后導(dǎo)風(fēng)板以及風(fēng)扇罩形狀對(duì)冷卻氣流影響的研究[8]；散熱器阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部護(hù)板、前端密封、冷卻氣流出口路徑封堵、整車(chē)姿態(tài)以及主動(dòng)進(jìn)氣格柵形狀和位置對(duì)冷卻氣流影響的研究[9-10]。

圖1為某車(chē)型前端模塊輪廓的投影圖，由圖可知，冷卻氣流受到很多部件如格柵、防撞梁和喇叭的影響。相關(guān)研究表明，相較于理想狀態(tài)（無(wú)部件遮擋影響），實(shí)車(chē)散熱器的散熱性能下降了約10%[8]。但對(duì)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，例如寶馬的雙腎格柵，別克的瀑式格柵，都是造型的一部分，無(wú)法隨意更改，因此，本文在前防撞梁優(yōu)化上做了大量的研究。

圖1 前端模塊輪廓投影示意圖

1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容介紹

冷卻氣流的來(lái)源可分為兩部分：一是沖壓效應(yīng)，這是汽車(chē)高速行駛時(shí)冷卻氣流的主要來(lái)源；二是抽吸效應(yīng)，這是車(chē)輛在怠速或低速爬坡時(shí)冷卻氣流的主要來(lái)源。沖壓效應(yīng)下冷卻氣流流量與車(chē)輛行駛速度（V）有關(guān)，而抽吸效應(yīng)下冷卻氣流流量與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（n）有關(guān)。

根據(jù)對(duì)流換熱原理可知，冷卻模塊散熱量與冷卻氣流流量成正比，試驗(yàn)中冷卻氣流流量的測(cè)量至關(guān)重要。圖2是測(cè)量冷卻氣流流量用的葉輪風(fēng)速儀布置圖。由圖可知，不同于傳統(tǒng)的均布方式，16個(gè)葉輪風(fēng)速儀是按照風(fēng)扇的流場(chǎng)特性進(jìn)行分布的，這樣每個(gè)葉輪可更精確地代表相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。通過(guò)對(duì)劃分的16個(gè)區(qū)域進(jìn)行面積加權(quán)平均即可得到冷卻氣流流量，如式（3）所示。

圖2 散熱器表面葉輪布置示意圖

本文在冷卻模塊和整車(chē)上，對(duì)3種不同形式的防撞梁都進(jìn)行了研究。圖3為這3種防撞梁的實(shí)體圖和橫截面圖。由圖可以很清楚地看到，原始防撞梁如平板一般，而開(kāi)口防撞梁如同開(kāi)了槽的平板，NACA翼型防撞梁則是在開(kāi)口防撞梁上添加油泥將橫截面輪廓修整為同NACA23016翼型一樣。同原始防撞梁相比，開(kāi)口防撞梁和NACA翼型防撞梁的冷卻氣流通道面積增加了約7%。

圖3 三種不同形式的防撞梁

本文中所有的試驗(yàn)均在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心（SAWTC）完成。冷卻模塊通過(guò)特制的支撐架可獨(dú)立放置在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，防撞梁通過(guò)螺栓固定在支撐架上。圖4為冷卻模塊和整車(chē)在風(fēng)洞中的試驗(yàn)狀態(tài)。

圖4 冷卻模塊及整車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)圖

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬所使用的模型為某車(chē)型冷卻模塊部分，包含前防撞梁、冷凝器、中冷器、散熱器冷卻風(fēng)扇及風(fēng)扇罩等部分。從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，這部分?jǐn)?shù)值模擬工作已足夠用來(lái)進(jìn)行冷卻氣流流動(dòng)機(jī)理分析。如圖5所示，數(shù)值模擬計(jì)算域尺寸為7 m×3 m×2 m，最小網(wǎng)格尺寸為4 mm，冷卻模塊附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，總網(wǎng)格數(shù)約800萬(wàn)個(gè)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)采用多重參考坐標(biāo)系方法（MRF）來(lái)實(shí)現(xiàn)，邊界條件有速度入口、壓力出口和無(wú)滑移固定壁面。

圖5 冷卻模塊數(shù)模及網(wǎng)格示意圖

3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 抽吸效應(yīng)下的冷卻氣流流量

為了解防撞梁對(duì)冷卻氣流的總體“貢獻(xiàn)”，對(duì)無(wú)防撞梁狀態(tài)下的冷卻模塊和整車(chē)也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圖6是冷卻模塊和整車(chē)在單獨(dú)抽吸效應(yīng)下的冷卻氣流流量隨冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化曲線圖。由圖可知，無(wú)論有無(wú)防撞梁，冷卻氣流流量在相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下都是一樣的，且冷卻氣流流量隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速線性增大。

圖7為抽吸效應(yīng)下有無(wú)防撞梁狀態(tài)的冷卻模塊和整車(chē)?yán)鋮s氣流流量對(duì)比圖。由圖可知，相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下單獨(dú)模塊和整車(chē)的冷卻氣流流量相同，這說(shuō)明抽吸效應(yīng)下的冷卻氣流流量（QV）僅與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（n）線性相關(guān)。

圖7 抽吸效應(yīng)下冷卻模塊與整車(chē)?yán)鋮s氣流流量圖

圖8為冷卻模塊和整車(chē)在沖壓效應(yīng)下，冷卻氣流流量隨來(lái)流速度的變化曲線圖。由圖可知，隨來(lái)流速度的增大，不同防撞梁之間的冷卻氣流流量差異越來(lái)越大。總體而言，原始防撞梁狀態(tài)冷卻氣流流量最小，開(kāi)口防撞梁的次之，NACA翼型防撞梁的稍大，無(wú)防撞梁的最大。

圖8 沖壓效應(yīng)下的冷卻氣流流量

在冷卻模塊上，因防撞梁的遮擋，冷卻氣流損失了約10%；相比原始防撞梁狀態(tài)，NACA翼型防撞梁的冷卻氣流流量最大增加了約7%。

在整車(chē)上，防撞梁同樣導(dǎo)致冷卻氣流流量損失了約10%；相比原始防撞梁狀態(tài)，NACA翼型防撞梁狀態(tài)下的冷卻氣流流量最大增加了約8%；開(kāi)口防撞梁狀態(tài)與原始防撞梁狀態(tài)下的冷卻氣流流量基本一致。

對(duì)比冷卻模塊和整車(chē)在同一風(fēng)速下的冷卻氣流流量發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙和格柵等部件的影響，沖壓效應(yīng)下冷卻氣流流量受到顯著影響。

圖9為原始防撞梁狀態(tài)下的整車(chē)在組合效應(yīng)下的冷卻氣流流量變化圖。圖中“R+S”代表單獨(dú)沖壓效應(yīng)和單獨(dú)抽吸效應(yīng)下測(cè)得冷卻氣流流量的疊加值，也叫計(jì)算值；“R+S-EXP”代表組合效應(yīng)下冷卻氣流流量的測(cè)試值。由圖可知，組合效應(yīng)下冷卻氣流流量的計(jì)算值明顯要大于測(cè)試值，且差值隨著來(lái)流速度的增大而增大。這說(shuō)明，在低風(fēng)速下抽吸效應(yīng)是最主要的冷卻氣流來(lái)源，而在高風(fēng)速的時(shí)候主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的冷卻風(fēng)扇對(duì)冷卻氣流流量有負(fù)作用。因此，當(dāng)車(chē)輛在高速行駛過(guò)程中不建議打開(kāi)冷卻風(fēng)扇。

圖9 組合效應(yīng)下整車(chē)?yán)鋮s氣流流量變化圖

圖10為整車(chē)組合效應(yīng)下NACA翼型防撞梁和原始防撞梁狀態(tài)下的冷卻氣流流量對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 402 r/min時(shí)，相比原始防撞梁，隨沖壓速度的增大，NACA翼型防撞梁狀態(tài)下冷卻氣流流量逐漸增大，最大增加量約為7%；而當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 438 r/min時(shí)，兩者之間幾乎沒(méi)有差別。這說(shuō)明組合效應(yīng)下，當(dāng)抽吸效應(yīng)大于沖壓效應(yīng)時(shí)，冷卻氣流流量不受防撞梁的影響，與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系更大；當(dāng)沖壓效應(yīng)大于抽吸效應(yīng)時(shí)，防撞梁優(yōu)化可以增大冷卻氣流。

圖10 組合效應(yīng)下原始防撞梁狀態(tài)和NACA翼型防撞梁狀態(tài)對(duì)比

3.2 冷卻氣流流量計(jì)算

冷卻氣流流量關(guān)系到散熱器的性能，所以冷卻氣流流量計(jì)算對(duì)于冷卻模塊的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。由圖9和圖10可知，不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，冷卻氣流流量和來(lái)流速度成二次函數(shù)關(guān)系。通過(guò)二次多項(xiàng)式擬合可得關(guān)系式（4），原始防撞梁狀態(tài)下，不同冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下式（4）中各項(xiàng)系數(shù)Ai見(jiàn)表1。

表1 式（4）中的系數(shù)矩陣

式（4）中各項(xiàng)系數(shù)Ai與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖11所示，同理可得式（5）和表2。

圖11 各項(xiàng)系數(shù)Ai隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化曲線

表2 式（5）中的系數(shù)矩陣

最終可得原始防撞梁狀態(tài)下，整車(chē)在不同來(lái)流速度和不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的冷卻氣流體積流量，計(jì)算公式如式（6）所示。

為了驗(yàn)證式（6）的準(zhǔn)確性，對(duì)原始防撞梁狀態(tài)下整車(chē)在組合效應(yīng)下的某些工況測(cè)試值和計(jì)算值進(jìn)行比較，見(jiàn)表3，誤差范圍不超過(guò)2%，式（6）的計(jì)算結(jié)果較為可靠。

表3 冷卻氣流流量計(jì)算誤差驗(yàn)證

3.3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖12為不同形式防撞梁下的冷卻模塊在來(lái)流速度30 km/h時(shí)的縱向剖面流線圖。由圖可知，對(duì)于沒(méi)有防撞梁的冷卻模塊，散熱器表面附近的流線分布較為均勻；對(duì)于原始防撞梁狀態(tài)的冷卻模塊，在原始防撞梁后方區(qū)域生成了一個(gè)大的分離渦，其影響區(qū)域幾乎占了散熱器表面積的一半；對(duì)于開(kāi)口防撞梁狀態(tài)的冷卻模塊，在防撞梁后方有一大一小兩個(gè)分離渦，其影響區(qū)域和原始防撞梁的差不多；對(duì)于NACA翼型防撞梁狀態(tài)的冷卻模塊，防撞梁后方的兩個(gè)分離渦大小和強(qiáng)度明顯降低。

圖12 不同形式防撞梁后分離渦示意圖

圖13為不同形式防撞梁下的冷卻模塊在30 km/h時(shí)散熱器表面速度分布圖。由圖可知，無(wú)防撞梁狀態(tài)冷卻模塊散熱器表面速度分布主要受風(fēng)扇罩的影響，正對(duì)風(fēng)扇處速度分布較為均勻，而風(fēng)扇罩區(qū)域速度較低；原始防撞梁狀態(tài)冷卻模塊散熱器在防撞梁所對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)大的低速區(qū)；防撞梁開(kāi)口后，低速區(qū)的面積減??；NACA翼型防撞梁的冷卻模塊散熱器表面速度分布進(jìn)一步改善，與無(wú)防撞梁狀態(tài)的相差不大。

綜上可知，采用NACA翼型防撞梁可以改善防撞梁對(duì)冷卻氣流的影響，提高散熱器表面的速度分布，提高散熱器的效率，在保證足夠的冷卻需求的同時(shí)，可通過(guò)降低冷卻氣流流量來(lái)減小冷卻氣流阻力，從而降低整車(chē)的氣動(dòng)阻力。

圖13 不同形式防撞梁狀態(tài)下散熱器表面速度分布

4 結(jié)論

通過(guò)3種不同形式的防撞梁分別在冷卻模塊和整車(chē)上的試驗(yàn)研究以及相關(guān)數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）在抽吸效應(yīng)下，不論冷卻模塊和整車(chē)，冷卻氣流流量?jī)H與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速線性相關(guān)。

（2）在沖壓效應(yīng)下，相較于原始防撞梁狀態(tài)，NACA翼型防撞梁使冷卻氣流通道面積增大約7%，冷卻模塊上冷卻氣流流量最大可增加約8%，整車(chē)上可增大約7%。

（3）在組合效應(yīng)下，NACA翼型防撞梁狀態(tài)整車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 402 r/min時(shí)，相較于原始防撞梁狀態(tài)，冷卻氣流流量最大增加了約7%，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇對(duì)冷卻氣流流量有負(fù)效果影響，在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中不建議打開(kāi)冷卻風(fēng)扇。

（4）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納出了原始防撞梁狀態(tài)整車(chē)的冷卻氣流流量隨車(chē)速和冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系式（6），與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差在2%以內(nèi)。

（5）NACA翼型防撞梁顯著改善了冷卻模塊前端的流場(chǎng)，散熱器表面的速度分布均勻性得到提高，散熱器效率增加，在保證足夠的冷卻需求的同時(shí)，可通過(guò)降低冷卻氣流流量來(lái)減小冷卻氣流阻力，從而降低整車(chē)的氣動(dòng)阻力，提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。