某SUV車型前端結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻模塊風(fēng)量和內(nèi)流阻力的影響分析

袁俠義 彭麗娟 陳林 林鐵平

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

某SUV車型前端結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻模塊風(fēng)量和內(nèi)流阻力的影響分析

袁俠義 彭麗娟 陳林 林鐵平

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件CCM+對(duì)某汽車前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化分析。通過提高冷卻氣流利用率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流流動(dòng)，尋找到兼顧前端模塊冷卻流量和整車氣動(dòng)阻力要求的最優(yōu)前端參數(shù)。經(jīng)氣動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)和熱環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該優(yōu)化結(jié)果可行。指出，運(yùn)用CFD分析優(yōu)化可以在汽車設(shè)計(jì)前期介入，通過對(duì)比不同方案提升整車的綜合性能。

1 SUV車型前端結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)流阻力和冷卻風(fēng)量的影響

提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、減少動(dòng)力傳遞損失、減少整車行駛阻力等是汽車節(jié)能環(huán)保研究的重要方向。氣動(dòng)阻力是整車行駛阻力的主要組成部分[1]，特別是汽車行駛速度超過80 km/h后，氣動(dòng)阻力占整車行駛阻力50%以上。

較為傳統(tǒng)的降低氣動(dòng)阻力的方法是整體優(yōu)化造型及車底部氣流，對(duì)于內(nèi)流阻力的分析主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的需求。通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，合資品牌車型通過格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流所產(chǎn)生的內(nèi)流阻力系數(shù)在0.022～0.032之間，內(nèi)流阻力一般占整車阻力的6%左右（如表1所示，共包括5款車型在風(fēng)洞中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試工況1為原始狀態(tài)，工況2為封閉上下格柵狀態(tài)）。若車型的內(nèi)流占比超出平均水平，表明該車型的前端參數(shù)設(shè)計(jì)未達(dá)到最優(yōu)[2]。而且發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理不是單純依靠格柵開口不斷加大去滿足散熱需求，而是需求的冷卻風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可，過多的冷卻風(fēng)量還會(huì)帶來反作用（發(fā)動(dòng)機(jī)艙過冷也會(huì)增加油耗）[3]。

表1 部分合資品牌車型的內(nèi)流阻力系數(shù)統(tǒng)計(jì)

本文綜合考慮冷卻模塊風(fēng)量和整車氣動(dòng)阻力，對(duì)某SUV車型前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，主要包括格柵飾條截面、密封導(dǎo)流罩、格柵通風(fēng)區(qū)域、冷卻模塊性能、主動(dòng)格柵等設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 整車外流場計(jì)算中常用的數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程和湍流模型

用于整車空氣動(dòng)力學(xué)性能CFD模擬分析的三維流場可以看作是不可壓縮流場，而復(fù)雜的車身表面和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量氣流分離[4]，各基本控制方程表示如下。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

湍流模型種類繁多，在對(duì)內(nèi)流場模擬時(shí)應(yīng)用較多的是RNG k-ε湍流模型。在RNG k-ε模型中，通過大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，可將小尺度運(yùn)動(dòng)從控制方程中移除。在對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行雷諾時(shí)均化處理時(shí)，引進(jìn)了新的變量項(xiàng)（雷諾應(yīng)力項(xiàng)）。為使方程組封閉，必須對(duì)雷諾應(yīng)力做出某種假定，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下[5]。

湍流動(dòng)能κ方程：

湍流動(dòng)能耗散率方程：

2.2 整車建模及邊界條件設(shè)置

由于主要研究前端結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量和氣動(dòng)阻力的影響，計(jì)算模型需要采用整車模型，包括車身、外飾件、動(dòng)力總成、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電子電器件、下車體以及底盤件等[6]。其中面網(wǎng)格劃分基本尺寸為8 mm，格柵和前端模塊等對(duì)流動(dòng)影響較大的區(qū)域需要保留大于2 mm的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，面網(wǎng)格尺寸為2 mm，圖1為車頭部分的面網(wǎng)格劃分。

計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)圍繞整車的長方體，根據(jù)汽車外流場的特點(diǎn)、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算成本，選擇計(jì)算域的大小為：入口距車身前端3倍車長，出口距車身后端7倍車長，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬，如圖2所示。整個(gè)計(jì)算流域生成trim空間網(wǎng)格，在車身表面劃分3層棱柱網(wǎng)格以滿足壁面函數(shù)的需求[7]，精確模擬汽車表面的附面層，如圖3所示。

冷卻模塊采用多孔介質(zhì)模型，散熱器風(fēng)扇采用MRF模型，計(jì)算邊界條件設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算邊界條件設(shè)定

2.3 項(xiàng)目難點(diǎn)描述

在開發(fā)某款SUV車型的概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)3種常規(guī)檢查工況（表3中的低速爬坡、高速平坦、高速爬坡工況）進(jìn)行了一維仿真分析，如表4所示，發(fā)現(xiàn)散熱器的出水溫度在高速爬坡工況下出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，初步分析為高速爬坡工況冷卻風(fēng)量偏小，冷卻系統(tǒng)散熱能力不足。

單純加大格柵開口會(huì)造成氣動(dòng)阻力過大，影響油耗。通過對(duì)比封閉格柵計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)流阻力系數(shù)為0.035，內(nèi)流阻力占整車氣動(dòng)阻力約9.5%，占比偏大，經(jīng)驗(yàn)判斷可能前端存在流動(dòng)混亂或泄漏情況，使進(jìn)入格柵的氣流利用率偏低。

表3 某SUV車型3種工況描述

表4 3種工況的一維仿真分析結(jié)果

3 冷卻模塊風(fēng)量和整車氣動(dòng)阻力聯(lián)合優(yōu)化

3.1 格柵飾條截面優(yōu)化方案分析

格柵飾條的截面形狀會(huì)影響氣流通過格柵的壓力損失。原設(shè)計(jì)方案的格柵飾條截面如表5的方案A所示，迎風(fēng)面為平面設(shè)計(jì)，不利于氣流流動(dòng)。通過借鑒空氣動(dòng)力學(xué)基本研究得知，大致為水滴狀或機(jī)翼狀是最有利于引導(dǎo)氣體的形狀[9]，如表5中的方案B。

表5 兩種不同格柵截面示意

通過對(duì)比圖4的矢量分布發(fā)現(xiàn)，方案B的截面有利于氣流流動(dòng)，格柵前、后未出現(xiàn)過多的氣流分離和混流。而方案A的截面，在氣流到達(dá)格柵后出現(xiàn)明顯的氣流分離，在格柵前、后方都形成混流區(qū)域。從圖5截面壓力可以明顯看出，方案B的柵格前、后壓力損失小，方案A的格柵前、后壓力損失較大。

對(duì)比方案A、B散熱器和冷凝器的氣流流量發(fā)現(xiàn)，冷凝器的氣流流量增加約6.45%（見表6），散熱器的氣流流量增加8.07%，格柵飾條的截面優(yōu)化主要是通過優(yōu)化前格柵的前、后壓力損失來增加進(jìn)入格柵的總風(fēng)量，從而提高前端模塊冷卻風(fēng)量的。

表6 優(yōu)化流量和氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

3.2 導(dǎo)流罩優(yōu)化方案分析

氣流進(jìn)入格柵后受到前端模塊的阻礙，部分氣體會(huì)分流到前端模塊的兩側(cè)，未經(jīng)過散熱器，造成冷卻氣流利用率過低。為了改善流動(dòng)性可以加裝導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩會(huì)覆蓋前端模塊區(qū)域，盡量把通過格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流都聚集通過前端模塊，提高散熱器的冷卻風(fēng)量。

加裝導(dǎo)流罩后，從圖6和圖7的分析結(jié)果可見，氣流到達(dá)前端模塊的速度明顯增加，從冷凝器和散熱器的氣流流量前后對(duì)比（表7）可知，冷凝器氣流流量增加6.6%，散熱器氣流流量增加4.3%，而且加裝導(dǎo)流罩后通過引導(dǎo)前端模塊前部的氣流順暢流動(dòng)，減少了混流，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)也降低了0.004。

表7 優(yōu)化導(dǎo)流罩前、后氣流流量和氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

3.3 格柵開口區(qū)域優(yōu)化方案分析

格柵開口大小對(duì)內(nèi)流阻力的影響很大，通過數(shù)據(jù)積累發(fā)現(xiàn)，格柵開口大小和冷卻模塊得到的冷卻風(fēng)量不成正比，因?yàn)楦駯砰_口兩側(cè)的壓力損失小，會(huì)帶走較多的冷卻風(fēng)量，造成格柵進(jìn)入的冷卻風(fēng)量利用率低。

一般會(huì)對(duì)格柵開口兩側(cè)進(jìn)行封閉處理，兩側(cè)氣流會(huì)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。一般以冷卻模塊Y向距離決定格柵開口的Y向邊界，封閉格柵兩側(cè)如圖8所示。其中，原始狀態(tài)2為前述優(yōu)化后狀態(tài)。

從圖9的關(guān)鍵截面流速分布云圖可知，封閉格柵兩側(cè)前的氣流流速大，直接流到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部；封閉格柵兩側(cè)后，進(jìn)入格柵的氣流會(huì)集中到冷卻模塊上，并配合加裝的導(dǎo)流罩，能很好的抑制前端亂流，提高冷卻氣流利用率。高速工況下，封閉格柵兩側(cè)后冷凝器和散熱器的氣流流量相比原始狀態(tài)分別提升5.6%和5.2%，如表8所示。

表8 優(yōu)化格柵前、后氣流流量和氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

3.4 散熱器總成優(yōu)化方案分析

原始方案中散熱器的選型和布置不能滿足冷卻性能設(shè)計(jì)要求，原因是散熱器的Z向高度過小，風(fēng)扇的抽吸能力較弱，下格柵的氣流不能被散熱器利用。

對(duì)散熱器重新選型，增大Z向高度，冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)成半徑不同的對(duì)角線布置形式，如表9和圖10所示。通過ECU控制開啟和轉(zhuǎn)速，以滿足不同工況下的冷卻流量要求。

表9 散熱器尺寸對(duì)比

通過圖11的關(guān)鍵截面云圖可知，散熱器Z向高度增大后，下格柵進(jìn)氣氣流會(huì)受到風(fēng)扇的抽吸作用，部分氣流向上流動(dòng)，經(jīng)過散熱器總成的重新布置，也改善了散熱器前方和中冷器后方的漩渦，前端模塊氣流流動(dòng)更順暢，冷卻氣流利用率也大幅度提高。其中，圖11的原始狀態(tài)3表示前述優(yōu)化后狀態(tài)。

高速工況下，由于風(fēng)扇對(duì)下格柵的抽吸作用，氣流繞過冷凝器直接進(jìn)入散熱器，散熱器冷卻風(fēng)量增大，冷凝器風(fēng)量減少，而因?yàn)橄赂駯诺倪M(jìn)氣量增大，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的亂流減少，但整車氣動(dòng)阻力系數(shù)增加了0.002，見表10。

表10 優(yōu)化散熱器前、后氣流流量和氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

3.5 綜合優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合考慮總布置、制造工藝、項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間和成本，最后確定優(yōu)化方案包括：更換散熱器、加裝導(dǎo)流罩和封閉格柵兩側(cè)。對(duì)比前述優(yōu)化前、后的整車狀態(tài)可知，低速工況散熱器氣流流量增加11%，冷凝器氣流流量增加0.7%；高速工況散熱器氣流流量增加15.3%，冷凝器氣流流量增加7.6%。

更換散熱器，結(jié)合優(yōu)化后的前端模塊冷卻風(fēng)量進(jìn)行了一維仿真分析，結(jié)果見表11。通過增加風(fēng)量和提升散熱器的散熱效率，3個(gè)常規(guī)工況冷卻性能都得到了改善，其中高速工況的冷卻性能改善尤為明顯，也解決了高速工況下的水溫超標(biāo)問題。

表11 一維計(jì)算散熱器水溫結(jié)果

對(duì)實(shí)施優(yōu)化方案后的車輛進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和熱環(huán)境模擬試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后車型進(jìn)行了80 km/h、100 km/h、120 km/h車速下的氣動(dòng)阻力測試，仿真和試驗(yàn)值對(duì)比如圖12所示，誤差在4%以內(nèi)。從熱環(huán)境模擬試驗(yàn)測量冷卻模塊的流量可知，低速工況散熱器氣流流量為3 224 m3/h，仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5.6%，高速工況下散熱器氣流流量為4 017 m3/h，仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5.4%;試驗(yàn)值偏低。分析原因?yàn)闊岘h(huán)境風(fēng)洞的流場穩(wěn)定性較低，整車周圍空氣流動(dòng)對(duì)結(jié)果有所影響，但一致性相同，說明優(yōu)化結(jié)果可行。

3.6 主動(dòng)格柵優(yōu)化方案分析

冷卻風(fēng)量的設(shè)計(jì)主要保證高溫高壓環(huán)境下的汽車可靠性，但用戶日常使用中會(huì)存在較多不同工況，例如低溫天氣的勻速行駛需要的冷卻風(fēng)量非常小，有時(shí)單純關(guān)閉風(fēng)扇的情況下進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷空氣也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出冷卻系統(tǒng)的需求量。冷卻風(fēng)量過量會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)難以達(dá)到最佳工作溫度，過多的冷卻氣流會(huì)造成整車內(nèi)流阻力過大。

主動(dòng)格柵能根據(jù)汽車行駛工況改變進(jìn)入格柵的冷卻風(fēng)量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳溫度下，并降低內(nèi)流阻力[10]。本次研究主要是加入上主動(dòng)格柵后（布置方式見圖13），全開啟和關(guān)閉兩種情況下的氣流流量和阻力變化分析。

分析關(guān)鍵截面的空氣流動(dòng)分布（圖14）表明，全開啟狀態(tài)下，氣動(dòng)阻力基本沒有變化，冷卻風(fēng)量會(huì)有所降低，通過改變格柵開啟后的位置能解決冷卻風(fēng)量降低的問題；全關(guān)閉狀態(tài)下，冷卻風(fēng)量會(huì)大幅度降低，氣動(dòng)阻力也能降低0.02左右（表12）。其中，原始狀態(tài)4為前述所有優(yōu)化后狀態(tài)。

表12 所有優(yōu)化完成后氣流流量和氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

a.實(shí)施綜合優(yōu)化方案后，低速工況散熱器氣流流量增加11%，冷凝器氣流流量增加0.7%；高速工況散熱器氣流流量增加15.3%，冷凝器氣流流量增加7.6%；整車氣動(dòng)阻力系數(shù)降低0.01。

b.格柵進(jìn)氣量和內(nèi)流阻力成正比，前端模塊進(jìn)氣量可通過提高格柵進(jìn)氣的利用率來增大。

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

2 Gregor Tesch and Rainer Demuth．A New Approach to An?alyzing Cooling and Interference Drag．SAE，2010：2010-01-0286.

3 Stefan Wille,Timo Kuthada．Integrated Numerical and Ex?perimental Approach to Determine the Cooling Air Mass Flow in Different Vehicle Development Stages．SAE，2010：2010-01-0287.

4 袁俠義.基于風(fēng)洞試驗(yàn)的汽車氣動(dòng)阻力計(jì)算網(wǎng)格模型優(yōu)化.汽車技術(shù)，2013（9）：30～34.

5 張英朝.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2011.

6 袁志群.計(jì)及車身附件氣動(dòng)干涉影響的汽車流場數(shù)值仿真研究.汽車工程，2010（32）：1033～1037.

7 Haoting Wang,Tieping Lin,Xiayi Yuan.Simulation and Aerodynamic Optimization of Flow Over a Pickup Truck Model.SAE，2014：2014-01-2437.

8 Bradley D.Duncan,Satheesh Kandasamy and Khaled Sbeih.Further CFD Studies for Detailed Tires using Aerodynamics Simulation with Rolling Road Conditions．SAE，2010：2010-01-0290.

9 黃向東著.汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身造型.北京：人民交通出版社，2000.

10 龔旭，王俊等.智能格柵對(duì)車輛風(fēng)阻特性的影響分析.STAR2013中國用戶大會(huì)論文集，2013.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Impact Analysis of Passenger Car Front-end Structure on Cooling Flow and Internal Flow Resistance

Yuan Xiayi,Peng Lijuan,Chen Lin,Lin Tieping
（Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd Automotive Engineering Institute）

In this research,we use computational fluid dynamics(CFD)software CCM+in a car front-end parametric analysis,and identify the optimal parameters of front-end that achieve trade-off between the cooling flow requirement and lower vehicle air flow drag through improving cooling air flow utilization and air flow inside engine compartment.This optimization is proved feasible by wind tunnel test and environmental wind tunnel test.It is also indicated in the paper that CFD analysis and optimization can be introduced in the preliminary design,the vehicle’s comprehensive performance can be improved by comparing different solutions.

SUV,Front-end structure,Cooling flow,Flow drag,CFD

SUV 前端結(jié)構(gòu) 冷卻流量 內(nèi)流阻力 CFD

U463.8

A

1000-3703（2015）07-0004-06