汽車前端模塊冷卻進(jìn)氣分析與優(yōu)化

朱宇澤 袁俠義 彭麗娟 段煉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

現(xiàn)有法規(guī)對(duì)汽車節(jié)能排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)苛，統(tǒng)籌好汽車熱管理和空氣動(dòng)力學(xué)性能在整車開發(fā)的過程中尤為關(guān)鍵[1]。就發(fā)動(dòng)機(jī)前置的汽車而言，其前端模塊既要滿足冷卻系統(tǒng)的進(jìn)氣要求，又必須降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)流阻力[2]。國內(nèi)外學(xué)者采用仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)前端冷卻模塊的進(jìn)氣與冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行了深入研究[3]，然而工程應(yīng)用上開發(fā)早期缺少實(shí)車進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)[4]，而到了具備實(shí)車條件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)階段，大多數(shù)模塊的數(shù)據(jù)都已經(jīng)凍結(jié)，設(shè)變的時(shí)間成本和費(fèi)用成本在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中相當(dāng)高昂[5]。文章采用等比油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD（計(jì)算流體力學(xué)）相結(jié)合的方法，對(duì)整車前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析并驗(yàn)證了降阻增流的優(yōu)化方案[6]，在項(xiàng)目開發(fā)早期可用于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理與空氣動(dòng)力學(xué)分析。

1 汽車基礎(chǔ)狀態(tài)及優(yōu)化方案介紹

某SUV 車型機(jī)艙前端冷卻模塊布置方案，如圖1所示。

圖1 某車型前端冷卻模塊布置方案示意圖

該車型基礎(chǔ)狀態(tài)的上下格柵均為造型初版數(shù)據(jù)，開口較大，如圖2 所示。

圖2 某車型基礎(chǔ)狀態(tài)上下格柵示意圖

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)積累得出，格柵開口的大小對(duì)機(jī)艙內(nèi)流阻力有一定的影響，但前端冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)速并不完全隨格柵開口大小成正比關(guān)系。通過對(duì)格柵開口外側(cè)進(jìn)行封閉處理，使氣流集中流過前端模塊，既能增大前端模塊的冷卻流量，又能優(yōu)化內(nèi)流阻力。優(yōu)化方案1 即為對(duì)格柵部分進(jìn)行封閉處理，如圖3 所示。

圖3 某車型封閉優(yōu)化狀態(tài)上下格柵示意圖

基礎(chǔ)狀態(tài)樣車無導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，氣流經(jīng)由格柵直接流入前機(jī)艙，在中低速工況下，來自動(dòng)力系統(tǒng)的熱回流導(dǎo)致冷卻進(jìn)氣分布紊亂。導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)在于保證從格柵進(jìn)入的空氣盡可能多地通過散熱模塊并防止機(jī)艙熱回流[7]，提高前端冷卻模塊進(jìn)氣的利用率，因此，優(yōu)化方案2 提出收口和擴(kuò)口導(dǎo)流罩2 種設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 某車型導(dǎo)流罩狀態(tài)示意圖

基礎(chǔ)狀態(tài)樣車包含一塊平整的發(fā)動(dòng)機(jī)底護(hù)板。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，前端冷卻模塊的內(nèi)流阻力在整車氣動(dòng)阻力中占比約10%，要提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣的冷卻效率，優(yōu)化氣動(dòng)阻力，通常會(huì)從降低機(jī)艙內(nèi)流壓力、減少機(jī)艙混流入手，因此，優(yōu)化方案3 即在發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板增開散熱口，如圖5 所示。

圖5 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板狀態(tài)示意圖

2 仿真及分析

2.1 整車網(wǎng)格模型和計(jì)算域設(shè)定

文章計(jì)算的模型采用整車模型，面網(wǎng)格劃分基本尺寸為8 mm，為了保留模型精確度，針對(duì)優(yōu)化區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行加密處理，方案1 針對(duì)格柵保留較多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，面網(wǎng)格尺寸設(shè)定為2 mm。方案2 為了還原導(dǎo)流罩曲面外包絡(luò)，導(dǎo)流罩的面網(wǎng)格尺寸也設(shè)定為2 mm。方案3針對(duì)底護(hù)板開口邊角和周邊飾條進(jìn)行1 mm 局部加密，整車模型的機(jī)艙內(nèi)部件和中心剖面網(wǎng)格，如圖6 所示。

圖6 整車外流場仿真模型體網(wǎng)格示意圖

流體域采用長方體，設(shè)整車長為L、寬為W、高為H，整車流體域的長寬高分別為6L，5W 和5H，車頭前部為1.5L，車尾后部為3.5L。流體域體網(wǎng)格基本尺寸設(shè)定為128 mm，最大尺寸設(shè)定為256 mm。體網(wǎng)格需設(shè)置2 層加密，在各個(gè)計(jì)算域采用Trimmer 網(wǎng)格，網(wǎng)格邊界為2 層，邊界層第1 層厚度根據(jù)Wall Y+進(jìn)行設(shè)定，計(jì)算域進(jìn)出口邊界不設(shè)置邊界層。

2.2 邊界條件和求解設(shè)定

求解時(shí)環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃，將換熱器簡化為多孔介質(zhì)模型[8]，需要設(shè)定多孔介質(zhì)的慣性阻尼系數(shù)、粘性阻尼系數(shù)、孔隙率。風(fēng)扇采用MRF（移動(dòng)參考坐標(biāo)系）方法來模擬，風(fēng)扇域網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而是將動(dòng)量源加載到風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)掃過區(qū)域的網(wǎng)格[9]。

2.3 仿真分析結(jié)果

前端冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量是風(fēng)速與冷卻模塊面積的積分，對(duì)于相同車型，冷卻模塊一致，面積的總進(jìn)風(fēng)量與面平均風(fēng)速成正比關(guān)系，考慮試驗(yàn)與仿真的比對(duì)與標(biāo)定，采用風(fēng)速來進(jìn)行風(fēng)量的等效對(duì)比驗(yàn)證。在車速為40 km/h 的工況下，仿真計(jì)算了所有優(yōu)化方案換熱器芯體表面的平均風(fēng)速，在120 km/h 的工況下計(jì)算整車的高速風(fēng)阻系數(shù)，仿真分析結(jié)果，如表1 所示。

表1 各種優(yōu)化方案換熱器表面風(fēng)速仿真值

2.3.1 導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)及優(yōu)化

與收口導(dǎo)流罩相比，使用擴(kuò)口導(dǎo)流罩使冷凝器風(fēng)速下降8.77%，中冷器風(fēng)速反而增加了6.83%，其原因在于冷凝器和散熱器的風(fēng)速降低，相當(dāng)于減少了整個(gè)前端冷卻模塊的內(nèi)阻，使得進(jìn)入中冷器的風(fēng)量增加，而整車的風(fēng)阻系數(shù)也由于機(jī)艙內(nèi)阻減小而減小[10]。

2.3.2 密封格柵

封閉下格柵后，冷凝器和中冷器的風(fēng)速分別下降2.19%和6.72%，高速工況下，整車風(fēng)阻系數(shù)降低了0.005。對(duì)比僅封閉下格柵，封閉上下格柵的中冷器的面平均風(fēng)速增加了5.14%，進(jìn)氣面積減小，而風(fēng)量增大，其原因在于封閉格柵減小了直接流入機(jī)艙的風(fēng)量，根據(jù)伯努利原理，進(jìn)入機(jī)艙兩側(cè)氣流流速降低，壓力升高，對(duì)其他部位氣流抽吸能力減弱，從而提高了冷卻風(fēng)量利用率，而此時(shí)內(nèi)流阻力會(huì)減小，因此增加了冷卻模塊的可利用風(fēng)量[11]。

2.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開口

發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開口后，冷凝器風(fēng)速減小1.17%，中冷器風(fēng)速增加2.05%，其原因在于部分艙內(nèi)氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板通過，減小了機(jī)艙下半部分的內(nèi)流阻力，從而中冷器的冷卻進(jìn)風(fēng)量會(huì)增大，而對(duì)于冷凝器部分，由于周邊壓力減小，會(huì)有少量耗散，整車的風(fēng)阻系數(shù)由于內(nèi)流阻力減小而減小。此外，散熱口的形狀設(shè)計(jì)方面也可以通過調(diào)整排氣方向優(yōu)化導(dǎo)流方案，最大限度地減少機(jī)艙內(nèi)湍流和對(duì)外流場的影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證和方法介紹

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該試驗(yàn)選用1∶1 油泥模型，由外造型、機(jī)艙總成、下車體總成、輪胎總成共同組成。下車體主要包含前后懸架系統(tǒng)、副車架、傳動(dòng)系統(tǒng)、擋泥板、附件等，一般由ABS 樹脂或ABS+泡沫加工而成。

機(jī)艙總成的冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇主要由實(shí)車樣件代替以保證散熱系統(tǒng)的真實(shí)阻抗特性。前端模塊支架、機(jī)艙各零部件等用ABS 樹脂或ABS 樹脂+泡沫加工而成。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇在國內(nèi)某風(fēng)洞中心進(jìn)行，該中心可以提供足夠均勻的流場（包括均勻的風(fēng)速分布和流向分布、低紊流度）以及模擬路面的邊界層厚度，滿足工程分析的需求，試驗(yàn)樣車狀態(tài)，如圖7 所示。

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)樣車狀態(tài)示意圖

為獲得散熱器前部風(fēng)速和氣流分布的狀況，試驗(yàn)中在冷凝器前部均勻布置了12 個(gè)葉輪式風(fēng)速儀，在中冷器前均勻布置了4 個(gè)葉輪式風(fēng)速儀。

試驗(yàn)過程基于油泥模型的基礎(chǔ)狀態(tài)，進(jìn)行方案整改對(duì)比，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)怠速、中低速、高速3 種工況。以前端冷卻模塊的風(fēng)速和車輛的風(fēng)阻系數(shù)作為考核標(biāo)準(zhǔn)并與仿真模型進(jìn)行對(duì)比修正。

4 綜合優(yōu)化方案與分析

針對(duì)一系列優(yōu)化方案的仿真分析，采用1∶1 油泥模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文章選取汽車的基礎(chǔ)狀態(tài)與最終封閉格柵，采用擴(kuò)口導(dǎo)流罩，發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開口的綜合優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比。優(yōu)化前后冷凝器和中冷器各測點(diǎn)風(fēng)速，分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 某車型冷凝器風(fēng)速的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比曲線圖

圖9 某車型中冷器風(fēng)速的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比曲線圖

式中：ui——測點(diǎn)速度，m/s；

n——測點(diǎn)總數(shù)；

i——測點(diǎn)編號(hào)；

γ——均勻度系數(shù)。

由定義可知，γ 的范圍在0～1。對(duì)于換熱器來說，γ值越大表明其表面氣流分布越均勻，散熱器表面存在的局部過熱或過冷越少，換熱表現(xiàn)就越好[13]?；A(chǔ)狀態(tài)下，冷凝器和中冷器的γ 值分別為0.501 和0.597，優(yōu)化后的冷凝器和中冷器γ 值分別為0.517 和0.834。其均勻度系數(shù)增加，表明優(yōu)化后風(fēng)速分布更加均勻。

從圖8 和圖9 可以看出，冷凝器前和中冷器前平均風(fēng)速的仿真值與試驗(yàn)值兩者平均誤差小于5%，說明在總的通風(fēng)量方面，仿真值比較接近試驗(yàn)值，驗(yàn)證了仿真的可靠性，仿真分析的準(zhǔn)確性達(dá)到工程分析要求。部分測點(diǎn)的仿真和試驗(yàn)值存在較大的偏差，原因在于仿真建立的MRF 風(fēng)扇模型并不能完全反映風(fēng)扇的實(shí)際旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)扇葉片的位置改變時(shí)，對(duì)流場產(chǎn)生的影響無法體現(xiàn)，在低速工況下準(zhǔn)確度的表現(xiàn)不夠理想[12]。分別對(duì)比基礎(chǔ)狀態(tài)和優(yōu)化狀態(tài)后的換熱器前測點(diǎn)平均風(fēng)速的試驗(yàn)值，冷凝器前的平均風(fēng)速優(yōu)化后減小5.1%，中冷器前平均風(fēng)速優(yōu)化后增加6.6%，整車高速工況下的風(fēng)阻系數(shù)減小0.01。

此外，換熱器的性能不僅在于流經(jīng)前端冷卻模塊的氣流流量，還取決于氣流分布的均勻性，這里引入速度均勻性系數(shù)來評(píng)價(jià)，如式（1）所示。

5 結(jié)論

文章針對(duì)開發(fā)中的某款SUV 車型前端冷卻模塊降阻增流的優(yōu)化方案進(jìn)行研究。用油泥模型搭載實(shí)際前端冷卻模塊風(fēng)洞試驗(yàn)來驗(yàn)證流場仿真的準(zhǔn)確性，各個(gè)測點(diǎn)仿真與實(shí)際的風(fēng)速誤差在10%以內(nèi)，平均誤差在5%以內(nèi)，滿足工程分析需求。通過改變導(dǎo)流罩的形式和封閉部分格柵，可以調(diào)節(jié)分配到各個(gè)換熱器上的進(jìn)氣量，優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)，提高前端冷卻模塊進(jìn)氣利用率，減小工程設(shè)計(jì)余量，優(yōu)化性能；在發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開出風(fēng)口可以減小機(jī)艙內(nèi)流阻力，改善機(jī)艙亂流。

導(dǎo)流罩的使用可以大幅提高機(jī)艙進(jìn)氣利用率，減小氣動(dòng)阻力，諸如此類的優(yōu)化方案可以啟發(fā)后續(xù)車型的開發(fā)，工程經(jīng)驗(yàn)上需要推廣更多引導(dǎo)氣流、減少機(jī)艙回流的設(shè)計(jì)。此外，在開發(fā)早期沒有樣車進(jìn)行試驗(yàn)與仿真模型標(biāo)定時(shí)，采用此分析方法可以用于修正仿真模型，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度和可靠性。