發動機冷卻系統前端進氣數值仿真與試驗研究

黃軼

（1.同濟大學汽車學院，上海200092；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司前期工程部，上海 201804）

發動機冷卻系統前端進氣數值仿真與試驗研究

黃軼1，2

（1.同濟大學汽車學院，上海200092；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司前期工程部，上海 201804）

采用三維數值仿真的方法，研究不同車速情況下導風罩和導流板對前端進氣的影響，并與前端進氣整車試驗結果進行對比，對仿真計算的準確性進行驗證；基于仿真模型，分析導流板上開口和加長導流板改進方案對前端進氣的影響。研究結果表明：前端進氣量的仿真計算結果與整車試驗結果吻合良好；前端進氣量隨車速的增加而增加；在各車速情況下，導風罩對前端進氣量的影響大于導流板；在導流板上開口可以增加經過前端冷卻模塊的空氣流量，而加長導流板在50km／h車速下前端進氣量有所減小。本文對前端進氣的研究，為提高發動機冷卻系統空氣側性能積累了經驗，對整車前期冷卻系統的開發有重要的指導意義。

前端進氣；導風罩；導流板；仿真；試驗

汽車工業的迅猛發展，使得對車輛動力性、經濟性和可靠性的要求越來越高。作為汽車動力源的發動機，其性能的優劣將直接影響汽車的可靠性、安全性等關鍵性能指標。然而對于功率不斷提高的現代發動機，在運行過程中其散熱量也隨之上升。有數據顯示，發動機散發的熱量30%是由發動機冷卻系統帶走的［1］，這就對發動機冷卻系統帶來了更大的挑戰。發動機冷卻系統的散熱性能受很多因素影響，很難做出精確的計算［2］。根據經典換熱理論，一般可以將經過發動機艙前端結構進入冷卻模塊的冷卻空氣的流量即前端進氣量作為評價發動機冷卻系統性能的主要因素［3］。前端進氣量主要受到前保險杠、導風罩和導流板等發動機艙前端零部件的影響，因此，對于內外飾零件更改的小改款車型，不同內外飾零件對前端進氣量影響的分析是前期開發中的重要步驟之一。本文以某乘用車為研究對象，結合三維CFD計算和整車前端進氣量試驗測量的手段，研究不同車速下導風罩和底部導流板2個內外飾零件對前端進氣的影響，為發動機冷卻系統前端設計積累經驗。

1 前端進氣研究對象簡介

1）冷卻模塊冷卻模塊是用于冷卻發動機的各冷卻零件的組合，一般來說主要包括散熱器、冷卻風扇和中冷器等。因為其通常布置在發動機艙前端，故常稱之為前端冷卻模塊。

2）導風罩導風罩是安裝在冷卻模塊上的板狀罩蓋，主要的作用是引導前端進氣并使大部分空氣經過冷卻模塊。特別在怠速等低速工況下，可以有效防止發動機艙氣流回流到散熱器。圖1為導風罩安裝在冷卻模塊上的示意圖。

3）導流板在保險杠下方常安裝向下傾斜的連接板，用來增加氣流速度，這樣的連接板稱為底部導流板。圖2為底部導流板示意圖。

圖1 導風罩示意圖

圖2 底部導流板示意圖

2 數值仿真研究

2.1 基本理論

本文中前端冷卻模塊的氣流模擬選用Fluent求解器，Fluent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-ε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3個方向的初始速度設為0。地面固定不動（模擬風洞試驗）。

2.2 建立幾何模型

將在CATIA中建立的整車三維數學模型導入ANSA中進行幾何處理，建立的計算域如圖3所示。將在ANSA中生成的面網格導入TGrid生成體網格，最后將生成的體網格讀入Fluent中求解計算，總網格數12000000，節點數1942813。

圖3 計算域與網格劃分

2.3 邊界條件的設定

1）計算域進口速度進口邊界，車速大小決定來流速度大小。

2）計算域出口壓力出口邊界。

3）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。

4）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。

5）流動介質空氣溫度為25℃，空氣密度為1.205 kg／m3。車體、風扇、換熱器為流體區域。

2.4 仿真結果分析

為了清晰比較導風罩和底部導流板2個零件對前端進氣的影響，將無導風罩和底部導流板的組合定義為方案1，其余組合方案及其仿真計算結果如圖4所示。

圖4 不同組合方案下前端進氣量仿真結果

由圖4可以看到，隨著車速由20 km／h增加到175 km／h，4個組合方案下的前端進氣量都有相應增加，說明前端進氣量隨車速的增加而增加。其次，在不同車速下，4個組合方案的前端進氣量大小為：方案4＞方案2＞方案3＞方案1。同時，如果比較各組合方案相比方案1進氣量增加百分比，也可以得到相同的規律。

為了進一步比較4個組合方案對前端進氣量的影響，以50km／h車速的計算結果為例做具體分析。表1為50 km／h車速不同組合方案下的前端進氣量計算結果。由表1可以發現，增加導風罩或導流板都可以增加前端進氣量。比較方案2與方案1的仿真計算結果可以發現，增加導風罩后，前端進氣量增加百分比為9.79%，這主要是因為導風罩在冷卻模塊周圍形成導流通道，防止冷卻空氣回流，進而增加進氣量。比較方案3與方案1的仿真計算結果，可以發現增加導流板后，前端進氣量增加百分比為3.09%，這主要是由于安裝導流板后可以有效組織氣流，對空氣的流動起導向作用，進而增加進氣量。比較不同組合方案下進氣量增加的百分比可以看出，安裝導風罩對前端進氣量的影響大于安裝導流板，而安裝導流板和導風罩后前端進氣量最大。

表1 導風罩和底部導流板各組合方案計算結果

3 前端進氣試驗研究

目前在國內外各大汽車公司的前端冷卻模塊開發中，葉輪式風速計得到了廣泛的應用［4］。該風速計利用葉輪轉速與來流風速構成函數關系，通過測量葉輪的轉速，可以確定來流風速的大小。相對于其他形式（如熱線式、多孔管式和激光多普勒式等）的風速計，葉輪式風速計在量程范圍、安裝體積、精度和方向敏感性等方面都有一定的優勢［5］。因此，本文采用東京計裝株式會社提供的RF-1000葉輪式風速計，在同濟大學上海地面交通工具風洞中心進行前端進氣整車試驗，就導風罩和導流板2個零件對前端進氣的影響進行研究。

3.1 試驗設備安裝

在測量前端冷卻模塊的進氣風速時，常常將葉輪式風速計的多個葉輪組合成一個陣列來進行測量，隨后對每個葉輪傳感器的測量結果進行平均，來得到經過冷卻模塊的平均風速。葉輪傳感器的安裝如圖5所示。

圖5 葉輪傳感器安裝示意圖

3.2 試驗與仿真結果對比

在風洞試驗室測量了方案1和方案4在各車速下的前端進氣量，并與CFD計算結果進行對比，結果如圖6所示。

圖6 前端進氣試驗與仿真計算結果對比

從圖6中可以看出，在各車速工況下，試驗結果與仿真計算結果的一致性較好，兩者進氣量差值百分比最大為9.88%；最大差值出現在20 km／h低速工況下，這可能是低速情況下前端進氣受冷卻風扇影響較大的緣故。其次，當車速從20 km／h增加到175km／h，前端進氣量相應增大，與仿真計算結果也是吻合的。由此可以表明上述整車三維仿真模型設定合理，可以基于該仿真模型對前端進氣開展進一步研究。

4 導流板改進方案對前端進氣的影響

考慮到導流板對前端進氣量的影響相對較小，在上文研究基礎上，分析導流板開口及增加導流板長度2個改進方案對前端進氣量的影響。2個方案的示意圖如圖7、圖8所示。選取50km／h車速工況進行研究，2種方案下前端進氣量的仿真計算結果見表2。

圖7 底部導流板開口示意圖

圖8 加長型底部導流板示意圖

表2 導流板優化方案仿真計算結果

由表2可以看到，在底部導流板上開口后，前端進氣量有了一定的增加。圖9和圖10是底部導流板上開口前后在汽車對稱截面上的流場分布圖。可以發現，導流板上開口方案使得部分底部氣流從開口處流至艙內，提高了發動機艙內經過冷卻模塊的風量，并且艙內的流速也稍有增加。

圖9 導流板開口前流場分布圖

圖10 導流板開口后流場分布圖

在導流板開口方案基礎上，增加了該底部導流板長度后，流經冷卻模塊的進氣量有0.84%的下降。圖11和圖12是底部導流板加長前后在對稱截面上的流場分布圖。可以看到，在底部導流板為正常長度時，艙內空氣可以順利地從發動機后面向底部流動；而加長導流板后，由于導流板長度的增加，對后艙氣流起到了阻礙，艙內空氣不能順利從后艙底流出，造成艙內靜壓略升。所以在其他條件相同的情況下，底部導流板能起到導流作用，但并不是導流板長度越長越好，底部導流板過長反而會對氣流起阻礙作用，形成滯止區，并不能更為有效地組織氣流，從而導致前端進氣量相對減少。因此，通過導流板2個改進方案對前端進氣量的影響分析可以得到：在底部導流板上開孔可以一定程度上增加經過冷卻模塊的空氣流量，而通過加長底部導流板并不能使前端進氣量有所增加，反而使其相對有所減小。然而，如果考慮到加長型的底部導流板能有利于降低汽車的氣動阻力、防止路面上的積水和沙石硬物進入發動機艙損壞艙內零部件的作用［6］，可以在滿足發動機冷卻性能要求的基礎上考慮采用加長型的底部導流板。

圖11 導流板加長前流場分布圖

圖12 導流板加長后流場分布圖

5 結論

本文結合三維CFD仿真與整車試驗，研究了導風罩、導流板2個零部件對前端進氣的影響，并分析了導流板上開口和加長導流板2個改進方案對前端進氣的影響，得到的主要結論如下。

1）安裝導風罩和底部導流板都能增加前端進氣量，其中導風罩對前端進氣的影響大于導流板。

2）在不同車速的情況下，前端進氣量隨車速的增加而增加。

3）仿真計算結果與試驗結果一致性較好，相對誤差小于10%。

4）底部導流板上開口可以增加前端進氣量，而加長底部導流板對發動機艙內氣流沒有實質性改善，反而使前端冷卻模塊進氣量在開口導流板方案基礎上減少0.84%。

［1］陶文銓.數值傳熱學［M］.第2版.西安：西安交通大學出版社，2004.

［2］張靖周.高等傳熱學［M］.北京：科學出版社，2009.

［3］馬虎根，李美玲．汽車發動機冷卻系統計算機輔助設計.汽車工程，2000，22（3）：207-209.

［4］SAE International.J2082，Cooling Flow Measurement Techniques［S］.1992.

［5］小熊卓，高田英嗣，林幸博.ラジエ一タ冷卻風量測定法-プロペラ式風速計を用いた測定方法の開発［C］／／自動車技術會.自動車技術會學術講演會前刷集，1995.

［6］劉勝軍.汽車發動機艙散熱特性數值分析與優化［D］.長沙：湖南大學，2012.

（編輯 楊景）

Simulation and Experimental Study on Front End Air Flow

HUANG Yi1，2
（1.School of Automobile Studies，Tongji University；2.Advanced Engineering Dept，SAIC Motor PassengerVehicle Co.，Ltd.，Shanghai 201804，China）

CFD simulation and CWT experiment are used to study the impact of the wind scooper and guide plate on the front end airflow under different driving conditions.The data was compared with theVehicle test results toVerify the accuracy of simulations.The guide plate with opening hole and the lengthened guide plate are analyzed to see the impact on the front end air flow.It showed that the simulation results are in good coincidence with the wind tunnel experiment results；The front end air flow increased with theVehicle speed；The wind scooper has larger impact on the front end airflow comparing with the guide plate's in differentVehicle speed；Hole on the guide plate will improve the air flow；Longer guide plate reduces air flow at 50kph driving speed.This study on the front end air flow provides experience of improving the engine cooling air side performance at the early stage of the development.

front end air flow；wind scooper；guide plate；CFD simulation；experiment

U464.138

A

1003－8639（2016）11－0041－04

2016-07-06