基于CFD的汽車前端結構匹配研究

劉 念，孫躍東，吳旭陵，陸飛龍，于卓弘

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心，上海 200438）

基于CFD的汽車前端結構匹配研究

劉 念1，孫躍東1，吳旭陵2，陸飛龍2，于卓弘2

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心，上海 200438）

采用CFD仿真技術結合正交試驗方法對主要前端結構進行了匹配研究。基于Fluent平臺，搭建了整車的前端結構分析模型，設計了9種正交試驗方案，系統地研究了前端格柵開口、冷凝器導流板、冷卻風扇直徑對整車前端進氣、氣動阻力的影響。通過整車風洞試驗及熱管理環境艙試驗對最優配置進行了驗證，相對誤差值約2.28%。改進方案的Cd值為0.421 06，比改進前降低3%，且動力總成冷卻系統（PTC）性能良好。研究結果對商用車前端結構的設計和匹配具有指導意義。

前端結構匹配；正交試驗；CFD仿真；整車試驗

引用格式：

前端配置包括進氣格柵開口、冷卻模塊（冷凝器、散熱器、中冷器）和風扇總成等結構部件。目前，國內外學者對前端結構的研究主要集中在通風散熱方面[1-4]。WATANABE等[1]基于一維與三維耦合仿真模擬手段，分析了前端結構對汽車發動機艙熱管理的影響。COSTA[2]采用CFD軟件研究了進氣格柵開口大小、形狀等幾何因素對發動機艙內部散熱性能的影響。通用汽車的楊志剛等[3]基于三維仿真軟件STAR-CD，通過對比搭載傳統和全新前端冷卻模塊的發動機艙內部速度場、溫度場，結合實車試驗的驗證，提出了全新的汽車冷卻模塊概念。哈飛汽車的李玉平[4]通過熱管理環境艙試驗研究了前端進氣格柵、散熱器以及冷卻風扇單體設計對發動機散熱性能的影響。眾多研究成果加深了人們對前端結構的理解，也推動了前端結構匹配問題的研究。

在整車開發流程中，為縮短開發周期，降低研發成本，前端結構的匹配主要利用CFD仿真技術進行研究改進。考慮到前端配置的匹配需要兼顧動力總成冷卻系統（PTC）性能和整車空氣動力學性能。因此，本研究針對某企業的皮卡車型，基于Fluent平臺搭建有效的仿真模型，借助于正交試驗來探究不同前端結構因素對整車前端進氣、氣動阻力的影響規律，以此匹配最優的前端結構配置方案。

1 前端結構仿真分析基礎

1.1 基本方程組和湍動能模型

基于Fluent軟件的前端進氣分析和氣動阻力分析，涉及了汽車的內外流場耦合的過程，需要滿足下列流動與傳熱的基本方程組[5]。

1.1.1 質量守恒方程

將空氣看作不可壓縮氣體，ρu為常數，取值為1.225，單位為kg/m3。

1.1.2 動量守恒方程

式中：P為流體壓力；u為液體粘度；S為廣義源項；i和j為張量指標，取值范圍為1，2，3。

1.1.3 能量守恒方程

式中：keff為有效熱傳導系數；h為焓；J為擴散流量；Sh為熱源項。

1.1.4 可實現的湍動能方程

湍動能模型選用Realizable k-ε方程，其計算精度高，適用范圍廣，可以更為精準地模擬汽車的復雜流場分布情況[6]。

湍動能k方程：

湍動能耗散率ε方程：

其中C1、η、S的表達式如下：

式（4）～（5）中：ρu為密度，kg/m3；Ui為i方向的速度，m/s；Gk為平均速度梯度產生的湍動能，m2/s2；Gb為浮力產生的湍動能，m2/s2；Sk、Sε為用戶定義項；C1ε、C2ε、C3ε為常數，設定為1.44、1.9、0.8；為K方程的Prandtl數； 為ε方程的Prandtl數。

1.2 離散方法和格式

由于有限體積法對網格的精度、數量要求不高，且積分守恒精準，所以通過該離散方法對計算區域內的所有控制體積單元進行積分，將原先的連續性微分方程轉換成離散方程組[7]。

一般情況下，對于面網格采用三角形網格、體網格采用四面體網格的復雜流動問題，通常需要采用二階精度的離散格式，因此采用二階迎風格式進行插值離散求解。

二階迎風格式的對流-擴散離散方程為：

式中各參數用下式表達：

其中，流動方向為正，α=1；流動方向為負，α=10。

2 建立仿真模型

2.1 網格劃分

對含有發動機艙和底盤件的1∶1整車模型進行幾何清理，局部特征網格進行細化，網格尺寸為3～5 mm，整車總體區域面網格尺寸為10～15 mm，面網格形式為三角形網格，網格總數為5 464 634個。軟件窗口界面中shaded-elements狀態的整車模型，如圖1所示。

圖1 整車數模

為了保證整車內、外流場能夠充分延展，將整車置于計算域中間位置，整車的長、寬、高為L、W、H，計算域的長度為10 L，寬度為8 W，高度為5.5 H，側面距離汽車邊界為3.5 W。將質量檢查合格的面網格模型直接導入T-Grid軟件，并生成計算區域和整車的體網格。體網格形式主要為四面體網格，多孔介質區域體網格形式為六面體網格，計算網格總數為42 672 845個，整車附近流場區域進行網格加密處理。截取αY =10截面的計算域網格，如圖2所示。

圖2 體網格處理

2.2 邊界條件設置

2.2.1 多孔介質

在Fluent軟件的條件設置中，冷凝器、中冷器、散熱器的簡化數學模型和多孔介質的數學模型相同，即通過在動量方程中增加粘性阻力項和慣性損失項來表述流體計算域中換熱器的多孔性材料對前端進氣流體的流動阻力[8]。

將冷卻模塊定義為簡易的均勻多孔介質，Darcy動量源項簡化為式（7），多孔介質參數的具體設置情況見表1。

式中：Si為多孔介質元件的壓降；μ為粘性系數；Pi為慣性阻力系數；ρu為空氣的密度；V為多孔介質表面的垂直速度分量；Pv為粘性阻力系數。

表1 多孔介質參數設置

2.2.2 冷卻風扇MRF模型

針對冷卻風扇選擇MRF模型，建立獨立的風扇旋轉區域,旋轉中心坐標為（1 242.7，1.646，237.185），旋轉軸矢量為（1，0，0），旋轉速度為3 000 r/min，網格模型如圖3所示。

2.2.3 邊界條件

使用數值模擬的方法對整車數模進行前端進氣和空氣動力學分析，實際是在模擬氣體經過汽車的流動過程，具體的模型和參數設置見表2。

圖3 冷卻風扇網格模型

表2 邊界條件設置

工程設計上，動力總成冷卻系統（PTC）性能的前期開發是參考汽車前端進氣狀態來設計考慮的。按照整車設計規范，前端進氣的仿真計算工況為惡劣工況（4擋、80 km/h、爬坡）的散熱器進風量，氣動阻力的仿真計算工況為車速120 km/h（國內的高速路段行駛速度上限）的氣動阻力系數。

3 正交試驗設計

正交試驗方法能夠根據正交表選取部分試驗代替全因子試驗，從而精簡試驗次數，提高試驗效率。

3.1 因素及水平選取

整車前端進氣與氣動阻力的主要前端配置影響因素很多，為了避免造成試驗矩陣過大，不適宜全部選取。由于整車開發過程中，冷卻模塊布置形式已經確定為中冷器-冷凝器-散熱器。因此，根據工程經驗和工程技術成本顧慮，不再考察冷卻模塊布置形式、格柵形狀的影響。

基于上述考慮，從車輛燃油經濟性理論分析的角度出發，提出了影響試驗結果的3個影響因素：

（1）格柵開口率A，即格柵的開口面積到散熱器表面積的正投影率，如圖4a所示。

（2）冷凝器導流板角度B，即冷凝器下端導流板與z軸的夾角，如圖4b所示。

（3）冷卻風扇直徑C，即風扇的電機直徑，如圖4c所示。

圖4 前端配置因素示意圖

前端配置的因素和水平確定后，將利用正交表進行3因素3水平的L9（33）正交試驗，其試驗因素水平安排見表3。

3.2 正交試驗方案

由上文設計的試驗因素及水平表可知，這是一個3因素3水平的正交試驗，并且不考慮各因素之間的交互作用，因此可以選擇L9（33）正交試驗矩陣表安排試驗，正交試驗表及試驗結果見表4。

表3 前端配置試驗因素水平表

表4 前端配置的正交試驗矩陣

3.3 仿真計算結果

采用Fluent軟件對上述前端配置的試驗方案進行前端進氣及氣動阻力仿真分析，得到各個方案的響應目標值，見表5。優化前前端結構因素、水平配置為A3B2C3，仿真分析得出風阻系數Cd為0.419 810 4，散熱器芯體進風量為57.73 CMM。

表5 正交試驗結果表

注：Cd表示整車風阻系數；Q表示散熱器芯體進風量，均為正交試驗設計的響應指標。PTC性能設計要求：4擋、80 km/h、爬坡工況下的散熱器芯體進風量不可低于45 CMM。

3.4 數據分析

3.4.1 極差分析

為了找出各因素對各響應指標的影響規律，采用極差分析法對數據進行分析。極差是一組數據中最大值和最小值之差，極差值越大表示該因素對響應指標的影響越大，該因素越關鍵；極差值越小表示該因素對響應指標的影響越小，該因素重要度越低。表6和表7為各因素不同水平對各響應指標的極差分析結果。

表6 響應目標Cd極差分析

表7 響應目標-Q極差分析

比較不同列的極差大小可以得到選定因素對響應目標的影響程度大小。Rj值大表明該因素j對響應目標影響大，反之則表明該因素對響應目標影響小。根據極差分析結果，得出各響應指標的響應均值圖，如圖5和圖6所示。

圖5 因素水平-響應均值Cd分布

圖6 因素水平-響應均值Q分布

由圖5可知，整車風阻系數Cd隨格柵開口率A增大而增大，隨冷卻風扇直徑C增大而減小。由于響應指標Cd是望小最優，因此各因素影響強弱順序為A＞B＞C，且最優水平分別為14.8%（A1）、+15（B3）、480 mm（C3）。

由圖6可知，散熱器芯體進風量Q隨格柵開口率A、冷卻風扇直徑C增大而增大。由于響應指標Q是望大最優，因此各因素影響強弱順序為A＞B＞C，且最優水平分別為24.8%（A3）、-15（B1）、480 mm（C3）。

兼顧前端進氣和氣動阻力性能匹配最優的前端結構配置，應先確保前端進氣量滿足設計要求，再選擇氣動阻力性能最優的配置形式，以此節約整車能耗。綜上所述，方案3（A1B3C3）是最佳的前端結構匹配方案。

3.4.2 速度云圖分析

發動機艙散熱狀況和整車氣動阻力深受氣流的流動狀態影響，所以研究發動機艙內的空氣流動特性十分必要。CFD仿真分析可以得到前端配置改進前后αy =10截面的速度云圖，如圖7所示。

圖7 速度云圖

由圖7a可知，改進前前端結構的前端進氣量大，內流阻力較大，氣動性能較差。格柵開口率大，外界氣流會快速流入進氣格柵。由于冷凝器下部導流板與z軸平行，氣流經過時沒有經過任何導流的作用，會較快地通過冷卻模塊。由圖7b可知，改進后空氣流入前端進氣格柵的速度明顯減小，經過冷凝器下部導流板時速度變化梯度平緩，且冷凝器芯體迎風面區域流場速度較優化前變低，整個前端的流場得到較大的改善，內部阻力損失有效降低。雖然前端進氣量較優化前有所降低，但是散熱器芯體表面進風風量滿足設計規范要求，發動機冷卻性能穩定。

4 試驗驗證

4.1 整車風洞試驗

整車風洞試驗設備主要包括：上海地面交通工具風洞中心的五帶移動地面系統、六分量測試天平、實車模型和計算機數據采集系統。參照整車風洞試驗規范，將整車固定于測試地面中心，進行整車氣動阻力風洞試驗，如圖8所示。調整整車姿態，測得整車正投影面積為2.940 2 m2。

圖8 氣動阻力風洞試驗

設定整車風洞試驗考核工況為120 km/h下，風速穩定狀態的整車風阻系數。試驗全過程，風機工作帶動氣流從氣動聲學風洞噴口流出并吹向試驗車輛，風速由0 逐漸增加至120 km/h，待風速穩定在120 km/h狀態，計算機數據采集系統會自動采集該工況下的整車風阻系數。數據采集完畢，風機停止工作，車輛前端氣流停止流動。

對比響應目標Cd的最優前端配置方案的仿真分析結果和整車風洞試驗結果，見表8。試驗結果表明，改進前后的仿真數值與試驗數值變化趨勢相同，仿真誤差平均值約3.36%，誤差較小。CFD氣動阻力分析可以使用于前端配置風阻優化的前期設計階段。

表8 CFD仿真與風洞試驗結果

4.2 整車熱管理環境艙試驗

整車熱管理環境艙試驗設備主要包括：熱電偶、數據采集系統和溫度傳感器等裝置。試驗依據發動機冷卻系統的設計目標，對整車發動機艙內所關注的部件進行布點，如圖9所示。

圖9 發動機艙內布點示意圖

根據商用車熱管理試驗法規，在某技術中心的環境艙內對整車進行完整的城市、城郊、4擋50 km/h爬坡7.2%以及4擋80 km/h爬坡7.2%等工況熱管理測試。由于本研究在熱管理試驗中僅關注發動機冷卻系統能力是否滿足設計目標，因此重點關注惡劣考核工況的試驗數據。

依據數采系統的輸出數據，整理惡劣考核工況下各個散熱部件的測點溫度，見表9。4擋、80 km/h、7.2%爬坡工況下的發動機出水溫度低于115℃，油底殼機油溫度均低于135℃，變速器油溫均低于132℃，滿足發動機冷卻系統設計要求。最優前端配置方案的發動機系統冷卻性能良好，方案可行性高。

表9 熱管理試驗結果

5 結論

本文為了匹配合理的前端結構方案，通過仿真與整車試驗相結合的方法對某皮卡的前端結構進行了匹配優化。主要結論如下：

（1）利用Fluent平臺對氣動阻力特性及前端進氣進行了仿真研究，得出了前端結構因素的影響規律，格柵開口率對氣動阻力和前端進氣影響最大，冷卻風扇直徑對氣動阻力影響最弱，冷凝器導流板角度對前端進氣影響最弱。

（2）仿真數據分析表明，最優前端結構配置為A1B3C3，風阻系數為0.410 764 9，散熱器表面進風量為46.92 CMM。

（3）在整車風洞試驗中，測得前端結構改進后的整車風阻系數為0.421 06，比改進前降低3%，相對誤差約2.82%，誤差較小。在整車熱管理環境艙試驗中，測得考核工況下的發動機出水溫度、油底殼機油溫度、變速器油溫均滿足設計要求，改進方案的動力總成冷卻系統（PTC）性能良好。

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Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD

LIU Nian1，SUN Yuedong1，WU Xuling2，LU Feilong2，YU Zhuohong2
（1. College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai 200438，China）

The paper investigated the matching of the main front-end structure by using CFD simulation technology and the orthogonal test method.The simulation model of vehicle front-end structure was built based on Fluent software. Nine orthogonal test schemes were designed to study the effects of the front grille opening, the guide plate of condenser and the cooling fan diameter on the front-end intake and aerodynamic resistance of the automobile. The optimal configuration was verified by the wind tunnel and the thermal management environmental chamber tests, and the simulation error was about 2.28%. The drag coefficient of the improved scheme is 0.421 06, which is about 3% lower than before the improvement,and the good performance of the powertrain in cooling (PTC) system is achieved.The paper is instructive for design and matching of commercial front-end structures.

front-end structure matching; orthogonal test; CFD simulation; vehicle test

U461.1；U467.1+3

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.05

2017-04-24 改稿日期：2017-05-29

上海市研究生創新基金（JWCXSL 1022）

劉念，孫躍東，吳旭陵，等. 基于CFD的汽車前端結構匹配研究 [J]. 汽車工程學報，2017，7(5)：342-349.

LIU Nian，SUN Yuedong，WU Xuling，et al. Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：342-349. (in Chinese)

作者介紹

責任作者：孫躍東（1965-），男，江蘇興化人。教授，博士生導師，主要研究方向為車輛動力系統及匹配技術、車輛發動機性能測試。

E-mail：syd@usst.edu.cn

劉念（1992-），女，安徽六安人。碩士研究生，主要研究方向為汽車空氣動力學、汽車熱管理技術。

Tel：13301898576

E-mail：1457737023@qq.com