通過CFD分析平衡汽車熱性能和空氣動力性能

馮燕燕 李義林 王麗華

（重慶長安汽車股份有限公司）

目前，計算流體動力學（CFD）技術已成為汽車領域不可或缺的研究分析工具。從90年代開始，CFD技術先后被用于車輛氣動阻力及熱性能方面的模擬分析[1]。傳統分析時，車輛熱性能和氣動阻力特性分析常需采用2套不同的CFD模型。本研究建立一套CFD模型同時對整車熱性能和氣動性能進行計算分析，在模擬汽車冷卻性能的基礎上，擴展分析車身氣流阻力特性，并保證后者的結果在合理的可信范圍內，以平衡2種性能，使汽車性能達到良好狀態。文章從CFD模型與求解方法、方案分析及綜合分析3個方面進行論述。

1 模型與求解方法

CFD模型將以汽車前端冷卻模塊區域為重點，對該區域網格進行加密處理，而對發動機艙及后底盤做適當簡化處理。模型網格劃分采用四面體網格，模型車身壁面設置邊界層。CFD模擬重要邊界包括：1）散熱器芯體，采用多孔介質邊界，其壓降特性曲線，如圖1所示；2）風扇效應，采用壓強躍升模型[2]，其壓降特性曲線，如圖2所示。

文章以70，100，180 km/h 3種車速工況進行汽車冷卻性能的模擬；以180 km/h車速工況作為代表進行車身氣動阻力特性的模擬。具體的數值計算步驟是：首先，在絕熱狀態下，對計算域進行迭代計算，生成一個穩定的初始流場分布；然后，激活能量方程進行耦合迭代。求解器湍流模型選擇標準κ-ε模型，變量離散格式采用二階迎風格式[3]。

2 案例介紹

為了充分說明本分析的方法，以高性能散熱器作為參照，對3種不同方案模型進行模擬比較分析，如表1所示。其中高性能散熱器與中性能散熱器的相關換熱性能參數，如圖3所示。

表1 汽車前端散熱優化方案介紹

3 結果分析

3.1 冷卻性能分析

圖4～圖6分別示出3種方案散熱器上部冷卻液溫度、流經散熱器氣流速率及發動機艙進氣溫度變化值比較。對比圖4～圖6可以看出：1）對于方案1，去除車牌照時，3種車速工況散熱器上部水箱內冷卻液的溫度均有下降趨勢，車速180km/h工況下降幅度達0.5℃，如圖4所示。另外，由于通過散熱器冷空氣量增大，如圖5所示，導致進入發動機艙空氣溫度有所降低，如圖6所示。2）對于方案2，更換中等性能散熱器后，盡管由于氣流壓降減小，通過散熱器氣流量增大，但未彌補散熱器散熱效率較差的影響，整體冷卻性能下降。3）對于方案3，去除汽車標志有利于發動機冷卻。具體表現為：散熱器上部水箱內冷卻液的溫度下降1℃左右，而進入發動機艙的氣流溫度大約下降2℃，且通過散熱器的氣流量增加約3%。

3.2 氣動阻力分析

圖7和圖8分別示出3種方案在車速為180 km/h工況時，車身總的空氣阻力變化及總阻力分解后的結果。從圖7和圖8中可知：1）對于方案1，車牌照對車身空氣阻力的影響不大，主要是因為車身壁面所貢獻的阻力大小與熱交換器和風扇葉片的貢獻值相當；2）對于方案2，更換散熱器后，熱交換器阻力減小，但由于車身壁面和風扇葉片阻力增大明顯，因此，汽車總的空氣阻力增大，風阻系數約為0.008；3）方案3與方案1結果相似，說明汽車標志對車身空氣阻力的影響不顯著。

3.3 綜合分析

由于文中CFD模型同時模擬了汽車散熱器熱交換過程和車身空氣阻力特性，因此可以進行綜合分析，通過平衡冷卻性能和氣動阻力2種特性結果，以提高汽車的綜合性能。

對比圖6和圖7中方案2的模擬結果可知，雖然進入發動機艙的氣流溫度有降低趨勢，但車身氣流阻力卻相應地增大。因此，若想降低成本，將高等性能散熱器更換成中等性能散熱器，就需接受散熱器上部冷卻液的溫度上升2℃。因此，在汽車研發過程中，需要綜合考慮車輛散熱性和空氣動力阻力特性，找到各影響因子的平衡點，得到最佳方案。另外，從圖7可以看出，方案1和方案3的車身阻力改變值大小近似，但方案3的冷卻性能要比方案1的好，如圖4所示。

4 結論

汽車性能綜合分析方法較傳統單一指標分析方法更全面與合理，有利于研究人員對汽車性能做更詳細和真實的評價。文章基于商用Fluent軟件，建立了統一的CFD模型，同時對某一車型汽車冷卻性能和空氣阻力特性進行了模擬，綜合考慮2種性能分析結果，認為方案3要比方案1更優，更具有實際操作價值。采用綜合分析方法，實現了在保證不明顯增加風阻的前提下，提高了發動機冷卻性能的目標。在汽車冷卻性能開發方面有一定實際借鑒意義。