某MPV車型進(jìn)氣格柵開口角度的仿真分析

張涵 韋流權(quán) 劉康 占魁

摘要：為研究某MPV車型進(jìn)氣格柵開口角度對整車風(fēng)阻性能和發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響規(guī)律，本研究采用cFD數(shù)值仿真對某MPV車型在不同車速和不同進(jìn)氣格柵開口角度下分別進(jìn)行仿真，分析進(jìn)氣格柵不同開口角度對整車風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力和散熱器進(jìn)風(fēng)量的影響。仿真結(jié)果表明：進(jìn)氣格柵全關(guān)狀態(tài)相對于全開狀態(tài)，整車風(fēng)阻系數(shù)可有效降低3.37%;隨著進(jìn)氣開口角度的增大，不同車速下發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力均呈現(xiàn)出先逐步增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律;中高速工況下，格柵開口角度過大會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致散熱器進(jìn)風(fēng)量降低。仿真分析結(jié)果為整車開發(fā)前期提供了一定的指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)艙;進(jìn)氣格柵開口角度;CFD數(shù)值仿真;風(fēng)阻性能;散熱性能

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0028-05

張涵

畢業(yè)于廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)任上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心整車性能集成科經(jīng)理，主要從事整車性能集成開發(fā)工作。

1 引言

汽車進(jìn)氣格柵是汽車前部重要的造型元素，其設(shè)計屬于細(xì)節(jié)設(shè)計層次，它直接影響著整車造型設(shè)計風(fēng)格，其重要性不言而喻[1]。進(jìn)氣格柵體現(xiàn)在整車上的作用不僅僅體現(xiàn)在外觀上，其開口大小、位置及角度都會直接影響到外界進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的冷卻空氣流量大小和氣流方向，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)部流場。汽車進(jìn)氣格柵開度也會影響到整車風(fēng)阻系數(shù)，當(dāng)進(jìn)氣格柵開度小于60%后風(fēng)阻系數(shù)才有明顯的降低變化[2]。此外，在汽車?yán)鋯与A段，將進(jìn)氣格柵全關(guān)閉可縮短發(fā)動機(jī)40%的暖機(jī)時間[3]，減少了發(fā)動機(jī)低溫磨損的同時實(shí)現(xiàn)了整車油耗的降低。

當(dāng)前國內(nèi)外已有不少學(xué)者對汽車進(jìn)氣格柵的大小、形狀、開度及控制策略進(jìn)行過深人的研究。國內(nèi)方面，王東等人[4]研究進(jìn)氣格柵各部分的開啟狀態(tài)對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)氣效率的影響，結(jié)果表明上部格柵對進(jìn)氣量的貢獻(xiàn)較小，下部格柵影響較大，而中部格柵進(jìn)氣效率最高;王文璽等人[5]基于中心組合設(shè)計的標(biāo)定方案建立整車散熱一冷卻需求和AGS多開度控制模型，經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證在極限工況下冷卻流量優(yōu)化約49%，典型工況下節(jié)油效果約0.11，;Kim J M等人[6]利用CFD數(shù)值仿真研究進(jìn)氣格柵不同的開口形狀對小型乘用車氣動阻力和冷卻性能的影響規(guī)律，其分析結(jié)果對進(jìn)氣格柵的設(shè)計提供了一定的依據(jù);Young-Chang Cho等人[7]構(gòu)建整車燃油經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型，在滿足散熱需求基礎(chǔ)上以降低氣動阻力為優(yōu)化目標(biāo)提出了AGS的連續(xù)控制方案，結(jié)果表明在高速工況下，整車燃油經(jīng)濟(jì)性提升1.3%-1.5%。

本研究針對某MPV車型開發(fā)前期，分析進(jìn)氣格柵的開口角度對整車風(fēng)阻性能和發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響規(guī)律。采用CFD數(shù)值仿真的方法研究不同車速工況下進(jìn)氣格柵不同開口角度對整車風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力和散熱器進(jìn)風(fēng)量的影響，對該車型進(jìn)氣格柵的開發(fā)前期提供一定的指導(dǎo)意見。

2 數(shù)值仿真模型

2.1 仿真模型

按照1：1比例將整車模型導(dǎo)入ANSA中進(jìn)行簡化處理和面網(wǎng)格劃分，簡化模型主要包括去除車身內(nèi)部座椅、儀表盤、方向盤等無關(guān)部件，對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)中冷器、冷凝器、散熱器和風(fēng)扇等進(jìn)行簡化，保留整車外部結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)已有的通用方式構(gòu)建風(fēng)洞：令車身長度為L，車身寬度為W，車身高度為H，則風(fēng)洞設(shè)定為車前3L，車后5L，車頂部5H，車兩側(cè)4W[8]。在風(fēng)洞內(nèi)部設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)域用以提高CFD仿真精度，最后采用ANSYS Fluent對網(wǎng)格模型進(jìn)行區(qū)域體網(wǎng)格劃分和求解計算。風(fēng)洞模型及計算域如下圖1。

2.2 邊界條件

模擬風(fēng)洞人口設(shè)置為速度入口，大小為車速;模擬風(fēng)洞出口為壓力出口，大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;計算域內(nèi)車身表面設(shè)置為無滑移壁面，上表面及左右表面設(shè)置為滑移壁面，底部設(shè)置為移動壁面，速度與車速一致;設(shè)置中冷器、冷凝器及散熱器為多孔介質(zhì)模型，并采用MRF模型將風(fēng)扇與風(fēng)扇罩之間部分設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域[9]，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速固定為2568r/min;CFD仿真為穩(wěn)態(tài)仿真，為使仿真規(guī)律更適用于NEDC循環(huán)工況，選取NEDC工況勻速段（30km/h、50km/h，70km/h、100km/h和120km/h）作為仿真基本工況;設(shè)置進(jìn)氣格柵模型的調(diào)整角度從全閉到全開依次為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，格柵葉片與豎直平面的夾角定義為進(jìn)氣格柵開口角度，且上下格柵同向同步轉(zhuǎn)動，格柵結(jié)構(gòu)及開口角度定義如圖2。

3 CFD仿真結(jié)果分析

3.1 整車風(fēng)阻系數(shù)

進(jìn)氣格柵開口角度的改變使得進(jìn)入發(fā)動機(jī)前艙冷卻氣流的流量大小及流動方向出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響到整車的內(nèi)外流場分布及風(fēng)阻特性。而對于整車的設(shè)計研發(fā)中常使用風(fēng)阻系數(shù)的概念來評價整車風(fēng)阻，風(fēng)阻系數(shù)是汽車固有的屬性，其大小只取決于汽車的外形結(jié)構(gòu)，而與車速無關(guān)[10]。汽車行駛時空氣阻力的數(shù)學(xué)模型如下：

F_w=1/2C_d×A×ρ×V²

（1）

式中：F_w為空氣阻力，N;C_d為風(fēng)阻系數(shù);A為汽車的迎風(fēng)面積，m²;ρ為空氣密度，m³/kg，;V為行駛速度，m/s。

由于風(fēng)阻系數(shù)是汽車固有的屬性與車速無關(guān)，故只選取120km/h的工況并針對不同格柵角度的整車模型分別進(jìn)行仿真分析，在Fluent中設(shè)置參考值并依據(jù)公式（1）計算監(jiān)測到不同格柵角度下的風(fēng)阻系數(shù)值，進(jìn)氣格柵開口角度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響如圖3。

由仿真結(jié)果可知：1）隨著進(jìn)氣格柵開口角度的增大，整車風(fēng)阻系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，且格柵開口角度為0°即葉片全關(guān)狀態(tài)下，整車風(fēng)阻系數(shù)最小為0.3810，格柵開口角度為90°即葉片全開狀態(tài)下，風(fēng)阻系數(shù)最大為0.3942，格柵葉片從全開到全閉過程中風(fēng)阻系數(shù)下降了3.37%;2）進(jìn)氣格柵開口角度為75°時，整車風(fēng)阻系數(shù)的數(shù)值趨于穩(wěn)定。

結(jié)合公式（1）和仿真結(jié)果可知，整車風(fēng)阻與車速的平方線性相關(guān)，高速工況下降低整車風(fēng)阻系數(shù)對于降低整車風(fēng)阻的效果越明顯，節(jié)油效果也更明顯。因此建議在汽車實(shí)際道路行駛中，在滿足發(fā)動機(jī)艙散熱需求的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)調(diào)小格柵角度用以降低整車風(fēng)阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車油耗的降低。

3.2 發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力

發(fā)動機(jī)前艙內(nèi)流阻力對整車氣動阻力影響較大，其大小約占汽車總氣動阻力的10～18%。汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力通常與發(fā)動機(jī)前艙內(nèi)零部件的形狀尺寸及其布置有關(guān)，而進(jìn)氣格柵的葉片轉(zhuǎn)動可有效地引導(dǎo)氣流的流向，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)前艙內(nèi)流阻力產(chǎn)生顯著影響。內(nèi)流阻力通常表征流經(jīng)前艙零部件引起的動量損失，根據(jù)本研究車型發(fā)動機(jī)前艙零部件排布特征，選取靠近進(jìn)氣格柵處的中冷器、冷凝器和散熱器組成進(jìn)氣通道產(chǎn)生的總壓力降用以代表發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力，進(jìn)氣格柵不同開口角度下的內(nèi)流阻力如表1，其變化趨勢如圖4。

由仿真結(jié)果可知如下規(guī)律，1）不同工況下，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力隨進(jìn)氣格柵開口角度的改變呈現(xiàn)出大致相同的變化規(guī)律。格柵開口角度為0°，各工況下發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力基本相同;進(jìn)氣格柵開口角度在0°～45°時，發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力呈現(xiàn)出逐步增大的變化趨勢，原因是進(jìn)氣格柵開口角度的增大使得進(jìn)入發(fā)動機(jī)前艙的氣體流量明顯增大，但同時氣流更容易受到中冷器、冷凝器、散熱器和冷卻風(fēng)扇等冷卻部件的摩擦與阻滯作用，從而使發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力相對更大。格柵開口角度在45°～90°范圍變化時，各工況下發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力均無明顯變化。2）進(jìn)氣格柵在同一開口角度下，車速越大發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流阻力越大。原因是發(fā)動機(jī)艙的氣動阻力大小與前艙氣體流速的平方成正比，車速越大導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙氣體流速越大，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣通道的內(nèi)流阻力增大。3）高速工況（120km/h）下，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力相比于格柵全閉狀態(tài)下增幅最為顯著為185%，說明相比于低速工況，高速工況下格柵角度減小對降低前艙內(nèi)流阻力作用更為明顯。

3.3 散熱器進(jìn)風(fēng)量

進(jìn)氣格柵的開口角度直接影響外界冷卻空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的流量大小，CFD仿真中常用流經(jīng)散熱器人口的空氣質(zhì)量流率（Mass FlowRate）來衡量發(fā)動機(jī)艙散熱性能的好壞。當(dāng)冷卻空氣通過散熱器在進(jìn)出口溫差不變時，散熱器進(jìn)風(fēng)量越大意味著在相同時間內(nèi)進(jìn)行熱交換的氣體流量越大，進(jìn)而發(fā)動機(jī)艙散熱性能越好。對不同車速工況和格柵角度下進(jìn)行仿真分析，散熱器的空氣質(zhì)量流率通過在Fluent中設(shè)置監(jiān)測面讀取，具體數(shù)據(jù)見表2，各工況下格柵角度對散熱器進(jìn)風(fēng)量的影響曲線如圖5。

汽車正常行駛時，散熱器的進(jìn)風(fēng)量主要由汽車行駛產(chǎn)生的氣流沖壓效應(yīng)和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應(yīng)兩部分作用影響，結(jié)合仿真分析的結(jié)果可知，1）進(jìn)氣格柵開口角度為0°，各工況下散熱器的進(jìn)風(fēng)量基本相同，與發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力規(guī)律保持一致。原因是進(jìn)氣格柵全關(guān)閉時，散熱器的進(jìn)風(fēng)量主要以冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應(yīng)提供，由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速保持不變，故散熱器進(jìn)風(fēng)量也基本相同。2）低速工況（30km/h和50km/h）時，由于汽車行駛產(chǎn)生的氣流沖壓效應(yīng)較小，隨著格柵角度增大，散熱器的進(jìn)風(fēng)量先緩慢增加而后趨于穩(wěn)定。3）中高速工況（70km/h、100km/h和120km/h）時，隨著格柵角度的增大，散熱器的進(jìn)氣量呈現(xiàn)先快速增加而后降低的變化趨勢，且速度越大變化效果越顯著。結(jié)合圖6中120km/h車速下發(fā)動機(jī)艙中截面速度矢量圖分析主要原因如下：中高速工況下，進(jìn)氣格柵開度過大時，格柵葉片對冷卻氣流的導(dǎo)流作用降低，發(fā)動機(jī)艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致冷卻氣流沒有得到有效利用，散熱器進(jìn)風(fēng)量降低。

4 結(jié)論

本文以某MPV車型為研究實(shí)例，利用CFD數(shù)值仿真綜合分析汽車進(jìn)氣格柵開口角度對整車風(fēng)阻性能和發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）研究進(jìn)氣格柵開口角度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明進(jìn)氣格柵全關(guān)狀態(tài)相對于全開狀態(tài)，整車風(fēng)阻系數(shù)可有效降低3.37%，適當(dāng)減小進(jìn)氣格柵的開口角度可以有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車油耗的降低。

（2）研究進(jìn)氣格柵開口角度對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力的影響，仿真結(jié)果表明格柵角度為00，各工況下發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力基本相同;格柵角度在0°～45°時，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力逐步增大;格柵角度在45°～90°時，各工況下發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流阻力基本不變。

（3）研究進(jìn)氣格柵開口角度對散熱器進(jìn)風(fēng)量的影響，仿真結(jié)果表明中高速工況下，格柵開口角度過大會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致散熱器進(jìn)風(fēng)量降低。

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