汽車前端冷卻模塊流場模擬與試驗研究

潘樂燕*

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，201804）

汽車前端冷卻模塊流場模擬與試驗研究

潘樂燕*

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，201804）

本文利用CFD分析與風洞測試兩種手段對整車前端冷卻模塊氣流場進行分析驗證，通過對4個車速即（20、50、90和110）km/h下的15個測點的氣流情況進行分析得出，CFD分析與試驗結果十分吻合，計算值與試驗值的誤差在可接受的范圍內。本工作驗證了CFD分析的準確性，對于整車前端冷卻模塊流場的考察完全可以用CFD模擬代替試驗，節省開發費用，對整車開發有重要的指導意義。

冷卻模塊 CFD模擬 風洞試驗

1 前言

隨著近年汽車工業的迅猛發展，整車廠面臨的競爭越來越激烈，如何盡快推出新產品縮短開發周期已經成為贏得市場的關鍵因素，CFD技術的出現使得這種快速開發成為可能。近幾十年隨著計算機技術的發展，CFD技術被越來越多的應用到了汽車設計中，通過在各設計階段的CFD模擬分析的介入，可以及時驗證設計，同時幫助優化設計方案，縮短開發周期，節約開發成本。目前CFD技術已經應用于汽車設計開發過程中，但是與項目的參與程度低，支持項目開發的可信度有待進一步驗證。

本文通過對某款車型在4個不同車速下（20km/h、50km/h、90km/h和175km/h）進行三維整車前端流場分析，同時結合整車風洞測試結果進行對照，分析比較了模擬計算與試驗結果的異同，由此得出模擬計算可以很好的用于造型驗證與改型，代替試驗，節省開發費用。

2 三維計算模型

2.1 基本理論

本文中整車發動機艙的氣流模擬選用Fluent求解器，Fluent軟件已十分成熟而且應用廣泛，包含所有的求解方程，可以直接得到計算結果也可以進行后處理。選用K- 不可壓湍流模型進行穩態計算，差分格式為二階迎風格式，隱式解法，殘差曲線判定精度為1.0e-6。在求解初始化時，將三個方向的初始速度設為零。

2.2 建立模型

將整車CAD模型導入ANSA中進行幾何處理，建立求解域。尺寸為：車前2倍車長，車后3倍車長，兩側各2倍車寬，計算域高度為3倍車高。將面網格導入TGrid生成體網格，最后將生成的體網格讀入Fluent中求解計算，見圖1。

圖1 整車網格模型

2.3 邊界條件的設定

計算域進口：選用速度進口邊界，分別設定為5.56m/s、13.89m/s、 25m/s和48.61m/s，相當于風洞試驗（20、50、90和175）km/h車速；

計算域出口：出口設為壓力出口邊界；

風扇模型：選用Fluent自帶風扇模型，通過風扇試驗數據擬合二次曲線，得出多項式系數，風扇布置在左側（從車頭方向看去）；

換熱器模型：多孔介質，域內阻力系數由相關換熱器的試驗數據整理得出，本車型包括冷凝器、散熱器，布置方式見圖2，前端為冷凝器，后端為散熱器；流動介質：空氣，溫度為25℃，密度為1.205kg/m3。

圖2 前端冷卻模塊

2.4 散熱器計算區域劃分

將散熱器按照面積等分為30個小區域，劃分情況見圖3中所示30個方形區域，M1到M15為與試驗測試對應的區域。

圖3 散熱器計算模型取點

3 試驗模型

本試驗選擇在同濟大學地面交通工具風洞中心進行，試驗環境溫度為10℃，一個標準大氣壓，通過調節試驗艙內轉轂轉速模擬車輛運動，同時調節風洞出口風速模擬車速。選用高精度風速儀測試散熱器前端空氣流速，該風速儀的測量精度為+1%，可以測量風速方向，測試值為負代表此處有回流。調整風速儀框架以達到與散熱器同樣的尺寸大小，由于風速儀接線以及布置空間的限制，同時考慮計算區域的劃分情況，將風速儀按照圖4進行布置。由于冷凝器布置在散熱器前端上部，M13到M15三個風速儀在冷卻模塊中的位置如圖5所示（從車頭方向看）。

圖4 風速儀布置圖

圖5 M13、M14、M15布置圖

4 結果分析

4.1 散熱器風速分布趨勢對比

提取計算與試驗結果，以車速90km/h為例分析風速分布情況。

流經散熱器的模擬風速如圖6所示，試驗結果如圖7所示。圖6是流經散熱器的風速分布圖，左側色卡代表風速大小（X方向，單位：m/s），右側為散熱器表面的風速分布。M1受邊緣無風扇的影響風速低于M2，而高于M3（M3位于風扇輪轂區域）；由于風扇布置在左側，M5、M6、M12風速都很低，其中M12靠近下部無冷凝器區域屬于三者最高；M9位于風扇輪轂處，風速低于周圍區域；也由于輪轂的影響M13的風速低于M14而高于M15；M13、M14、M15前端沒有冷凝器，故風速均高于其他監測點。

通過將計算與試驗的結果（圖7所示）對照分析可以得出，兩者風速分布完全吻合，大小趨勢十分一致。

4.2 風速平均值分析結果

由于試驗風速儀（見圖4）所測為圓形區域平均風速，而計算結果為方形區域的平均風速，為了消除統計面積對風速值的影響，對15個監測區域求平均值。由于M1～M12位于冷凝器與散熱器之間，故將此12個值求平均，將計算值與測試值對照分析，見圖8。同樣，將M13、M14和M15求平均值，見圖9。

由圖可知，在四個不同車速下，前12個點的計算值與試驗值能夠很好的吻合，20km/h時誤差最大，僅為5.6%。M13～M15三個區域的平均值誤差在高速175km/h時稍大些，達到了11.7%，其他車速時誤差均小于10%。

圖8 M1～M12平均風速

圖9 M13～M15平均風速

5 結論

本文通過對4個車速（20、50、90和110）km/h下15個監測點的氣流情況進行分析，得出結論如下：（1）對于流經散熱器的空氣速度分布趨勢，以車速90km/h為例進行分析，計算與試驗結果完全吻合，大小趨勢一致性很好；（2）對于風速大小，在四個不同車速下，前12個點的計算值與試驗值能夠很好的吻合，車速20km/h時誤差最大，僅為5.6%，M13～M15的平均值誤差在車速175km/h時稍大些，達到了11.7%，其他車速時誤差均小于10%，均在可接受的范圍內。本工作通過將試驗與計算結果進行對比分析，驗證了CFD分析的準確性，對于整車前端冷卻模塊流場的考察完全可以用CFD模擬代替試驗，節省開發費用，對整車開發有重要的指導意義。

[1]陶文銓. 數值傳熱學, 第二版[M]. 西安：西安交通大學出版社, 2004.

[2]陳江平. 制冷系統與空調轎車室內熱微環境的耦合特性研究[D]. 上海∶ 上海交通大學博士論文, 1998.

[3]Ales Alajbegovic, Bing Xu, Alex Konstantinov, Joe Amodeo. Simulation of Cooling Airflow under Different Driving Conditions [J]. SAE International, 2007, 01,0766.

[4]肖國權, 楊志剛, 張萬平. 轎車發動機艙流動與換熱的數值模擬[C]. 2007年全國機械工程博士生學術論壇,2007.

[5]祁照崗; 蘇秀平; 陳江平. 汽車空調風道系統CFD研究與優化[C]. 上海市制冷學會2003年學術年會論文集,2003.

[6]袁俠義，谷正氣，楊易. 汽車發動機艙散熱的數值仿真分析[J]. 汽車工程，2009，31（9）.

[7]朱娟娟; 蘇秀平; 陳江平. 汽車空調除霜風道CFD分析[C]. 上海市制冷學會2003年學術年會論文集, 2003.

[8]蔣光福. 汽車發動機艙散熱特性研究[J]. 汽車科技，2006（5）.

[9]邵世婷，周健. 格柵對發動機冷卻模塊性能影響的模擬與試驗分析[C]. 中國汽車工程學會年會論文集, 2010.

Simulation and experiment study of vehicle cooling module performance

Pan Leyan
（SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804）

CFD simulation and CWT test results of vehicle cooling module air fl ow performance are presented. The analyzed results of 15 measured points fl ow data under four vehicle speeds（20、50、90 and 110）km/h show that the results of the simulation are very closely to the test results and the error is within permissible limits. This work verif i ed the accuracy of CFD analysis. It is of important signif i cance on vehicle development because the CFD simulation can replace the vehicle cooling module fl ow test totally so as to save developing cost.

cooling module；CFD simulation；CWT test

*潘樂燕（1974-），女，工程師，高級經理，主要從事汽車發動機冷卻及空調的設計及科研工作。聯系地址：上海市嘉定區安研路201號，上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，郵編：201804，電話：021-61388274，電子郵箱：panleyan@saicmotor.com