汽車前端冷卻模塊降溫性能模擬試驗研究

馮燕燕，李義林，王麗華，張 寧

汽車前端冷卻模塊降溫性能模擬試驗研究

馮燕燕1，李義林1，王麗華1，張 寧2

（1.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2. 上海索卓信息科技有限公司，上海201101）

本文基于數(shù)值模擬計算及結(jié)合風洞試驗，對不同測試條件車輛車速與前端進氣風速的相關(guān)性進行了研究；在此基礎(chǔ)上還研究了發(fā)動機艙內(nèi)各個零部件對散熱器散熱性能的影響，并就冷凝器芯厚、護風罩、進氣截面和格柵對進氣前端平均風速的影響做了相應(yīng)的具體分析，提出了發(fā)動機艙內(nèi)零部件設(shè)計和布置規(guī)律。

均勻性；前端進氣；發(fā)動機艙

引　言

散熱器和冷凝器在零部件風洞中的性能與在發(fā)動機艙中的性能表現(xiàn)存在一定的差別。其中影響因素包括：水泵、風扇功率及一些車輛零部件，如格柵、進風口截面積、保險杠位置、進氣前端壓力系數(shù)、發(fā)動機艙空氣出口等。

在研究過程中，為了準確評估前端進氣平均風速的模擬值與試驗值的相關(guān)性，需要測量多個參數(shù)。其中車輛的冷卻液和制冷劑的流量可以通過流量計測量，而因受不同零部件的影響，通過散熱器和冷凝器的空氣流速卻不容易測量，需要通過間接的方法獲得。

1　理論模型

文中將考慮以下車輛冷卻模塊組合：（1）風扇相對于散熱器的位置；（2）不同護風罩的設(shè)計：無護風罩，部分護風罩，全尺寸護風罩，如圖1所示；（3）風扇開啟或關(guān)閉狀態(tài)；（4）冷凝器的尺寸及其相對散熱器和護風罩的位置。

由于前端冷卻模塊較復雜如圖2，因此需作以下假設(shè)：一是將實際的空氣側(cè)回路簡化為等效的空氣側(cè)回路，如圖3和4所示；二假定散熱器周圍的空氣沒有泄露；三假定所有的物理參數(shù)都是恒定的；四將流體模型視為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流動。

將通過散熱器的空氣流分為三個區(qū)域：通過護風罩和冷凝器的空氣流Uri1，護風罩內(nèi)的空氣流Uri2，護風罩以外的空氣流Ue。

2　數(shù)值模擬與試驗對比

2.1模擬計算

對于上述前端冷卻模塊組合，文中將重點分析組合為：部分護風罩設(shè)計；風扇在散熱器后端；冷凝器的迎風截面Sc小 于護風罩的截面Scv； 散熱器的迎風截面Sr大 于護風罩的截面Scv，如圖5：

基于上述假設(shè)，采用數(shù)值模擬計算可以獲得通過散熱器的平均風速Ura和 發(fā)動機出口冷卻液的溫度Te。

2.2環(huán)境風洞試驗

（1）試驗儀器：空氣、冷卻液和制冷劑的溫度傳感器，流速傳感器，壓力傳感器。

（2）測試工況：外界溫度為25℃時爬坡、外界溫度為38℃和45℃時最大車速。

通風測試：采用加熱器模擬發(fā)動機熱源，對有風扇和無風扇兩種情況進行測試。對不同車速，相同的冷卻液流速，相同的冷卻液和空氣溫差下，真實發(fā)動機艙條件下的散熱器性能，將與試驗臺架上的性能進行比較。這樣，通過在整車環(huán)境下測量散熱器的散熱量和冷卻液流量和溫度就可以獲得散熱器的平均風速Ur如圖6所示：

（4）試驗和計算方法

在車輛的仿真分析中，需要兩個重要的參數(shù)：前端的壓力系數(shù)Cpe和發(fā)動機艙后端壓力系數(shù)Cps。針對每輛車，需要用圖7所示的方法，計算出這些系數(shù)。

案例結(jié)果---每個組件的壓降（格柵、散熱器、冷凝器、風扇等）已在試驗平臺上單獨測量。根據(jù)圖7的方法，將在環(huán)境風洞中進行兩輛車的測試。兩輛車都設(shè)計有全尺寸風罩，實驗時車輛Ⅰ風扇開啟，車輛Ⅱ風扇關(guān)閉。

圖8顯示了車輛Ⅰ的試驗和計算結(jié)果，在車速60～200 km/h時有良好相關(guān)性，但在低速時存在一定的誤差。車輛裝配了完整的全尺寸風罩（FFS），并且風扇開啟。這個問題可能是風扇扇葉太靠近散熱器。通過計算獲得的壓力系數(shù)Cpe、Cps分別為0.7，0.0。

表1　車輛Ⅱ車速和風速相關(guān)性模擬值與測試結(jié)果比較

圖9為帶有全尺寸護風罩且風扇關(guān)閉時車輛Ⅱ的試驗和計算結(jié)果相關(guān)性。壓力系數(shù)Cpe、Cps和車輛Ⅰ相同，分別是0.7和0.0。這些值將用于不同方案組合的計算。

2.3結(jié)果分析

表1為車輛風洞試驗結(jié)果與模擬值比較結(jié)果。比較車輛的試驗結(jié)果與模擬值發(fā)現(xiàn)，通過散熱器的平均風速Ur，散熱器的換熱能力及發(fā)動機出口的冷卻液溫度對發(fā)動機的換熱性能影響較大。另外，高車速與低車速情況的試驗結(jié)果與模擬值的吻合度，前者表現(xiàn)更好。這可能是由于設(shè)計時風扇距離散熱器過近導致實際流動受到干擾。

3　理論結(jié)果的擴展

通過以上試驗和分析的對比，驗證了模型的有效性。下文將基于驗證模型對不同冷卻模塊組合進行分析。

為了研究進氣前端和護風罩對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和冷凝器性能的影響，我們將選用車輛Ⅰ進行研究，主要的參數(shù)如下：風扇功率300 W，8葉片，直徑364 mm；冷凝器尺寸375 mm*515 mm，翅片間距1.3 mm；散熱器尺寸414 mm*480 mm，翅片間距0.95 mm。

冷凝器芯厚的影響---對冷凝器三個不同厚度12 mm，16 mm和22 mm，不同車速下，通過散熱器和冷凝器的平均風速Ur可以計算出來?？梢钥吹剑哼@三個冷凝器具有大致相同的空氣風速。這些冷凝器較小的空氣側(cè)壓力損失差異對風速Ur沒有影響。這是由于散熱器的壓降遠大于冷凝器（大約2倍）。通過散熱器和冷凝器的風速主要由散熱器和風扇控制。

然而冷凝器減小了通過散熱器的風速（如圖10、11所示）。在車速200 km/h時，沒有冷凝器，風速會增加1 m/s。

護風罩的影響：相同風扇，不同車速下，護風罩對風速Ur有很大影響（如圖12所示）。根據(jù)圖1所示，有三類護風罩：全尺寸護風罩設(shè)計（FFS）；部分護風罩設(shè)計（PFS）；無護風罩設(shè)計（WFS）。

配置全尺寸護風罩在低車速狀態(tài)有很好的效果，但無護風罩設(shè)計對中、高車速具有更好的效果，部分護風罩設(shè)計介于全尺寸護風罩設(shè)計和無護風罩設(shè)計中間。

進氣截面系數(shù)是影響發(fā)動機冷卻性能的一個重要參數(shù)，在中、高車速時，影響尤為顯著（如圖14所示）。在發(fā)動機冷卻效率和汽車造型之間的一個折中是So/Sr為0.4。過大的So/Sr，如0.5，對冷卻系統(tǒng)沒有實際的影響。

格柵對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)影響很大特別是在中、高速狀態(tài)（如圖15所示）。對于怠速或低速狀態(tài)（如車速小于20 km/h）基本沒有影響。在高速狀態(tài)，減小格柵的壓力損失系數(shù)Kg會增大風速2～3 m/s。在平衡發(fā)動機冷卻性能、空調(diào)系統(tǒng)和車輛風阻Cx中，Kg的取值范圍最好在1.5～2之間。

4　結(jié)論

通過優(yōu)化車輛前端和冷卻模塊，特別是風扇和護風罩，提升了發(fā)動機的冷卻性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機冷卻性能、空調(diào)性能、和車輛造型之間的折中方案是：進氣界面比So/Sr為0.4；格柵系數(shù)1.5＜Kg＜2。如果可能，可以采用部分護風罩設(shè)計，代替全尺寸護風罩設(shè)計。如果設(shè)計有全尺寸護風罩必須進行優(yōu)化，特別是在車輛低速狀態(tài)。

［1］Sadek Rahman， Richard Su，Robust. Engineering of Engine Cooling System， SAE Paper 2003-01-0149.

［2］Refki El-Bourini and Samuel Chen. Engine Cooling Module Development Using Air Flow Management Techniques， SAE Paper 931115.

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

［4］邵世婷，周健.格柵對發(fā)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.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學第二版［M］.西安:西安交通大學出版社，2004.

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

專家推薦

張建東：

本文描述了位于整車前部的進氣格柵后的冷卻模塊設(shè)計時，氣體流動對冷卻效果影響的分析，進而提出了車輛冷卻模塊設(shè)計時關(guān)鍵參數(shù)選擇的一般范圍。原理清晰，有測試和仿真數(shù)據(jù)的分析對比，對設(shè)計工作有一定的借鑒意義。

Simulation on Cooling Effect of Front-end Cooling Module of Vehicle

FENG Yan-yan1，LI Yi-lin1， WANGLi-hua1， ZHANG Ning2
（1. Changan Automobile Co.Ltd， Chongqing， 400023， China； 2. BPSolution Technology Co.Ltd，Shanghai， 201101， China）

This paper studies the front end air flow uniformity relationship between CAE and physical test at various vehicle speeds. In addition， engine compartment parts' effect on radiator heat rejection performance was studied. Analysis of thickness of condenser， shroud， air flow section and grille's effect on front air flow uniformity was done in this study.

uniformity； front end air flow； engine compartment

U467.3

A

1005-2550（2015）02-0018-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.005

2014-07-18