主動進氣格柵角度對整車前艙進氣性能影響的數值分析研究

黨 巖，秦 鵬，閆 石

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200135）

汽車前端冷卻氣流對于發動機和前艙各個部件的冷卻至關重要，足夠的冷卻氣流才能夠保證前艙各個零部件和子系統在合適的溫度下正常運轉，但是冷卻氣流所帶來的前艙內流阻力也是整車氣動阻力的主要來源之一，大約占到整車氣動阻力的12%左右[1-2]，有效控制進入前艙的氣流也是整車降阻的重要措施之一，因此，很多汽車在前艙增加主動進氣格柵（ Active Grille Shutter，AGS）來控制在高速工況下進入前艙的冷卻氣流流量。

AGS 一方面可以降低高速行駛的空氣阻力，另一方面由于AGS 本身對于氣流有一定的阻塞作用，所以在增加AGS 之后會影響外部流入前艙內的氣流量，尤其是在速度相對較高的工況下，如果在此工況下，前端進風量無法滿足前艙冷卻需求，則需要增加格柵開口面積來進行補償。

目前，對于AGS 的研究主要集中于減阻和對油耗的影響方面[3-6]，而較少研究AGS 本身對進氣流量的影響。LAROSE 等[7]提出AGS 在某些角度下反而會增加阻力，但并未著重研究此現象是否是氣流量增加導致的，本文則研究了在配置AGS 后如何最大程度地優化前艙進風量。

通過采用CFD 仿真研究的方式對某三廂轎車的AGS 進行了優化。該三廂轎車在開發過程中需要達到較低的阻力系數來滿足油耗需求，因此在下格柵處配置AGS 來改善整車CD，但是由于AGS 對于前端進氣通道的阻塞作用，致使車輛在車速相對較高、熱負荷較大的90 km/h 車速工況下的前端進風量減小。為了避免因增加前端格柵的開口面積而影響整車CD，本文研究了AGS 葉片的角度和進風量之間的關系，通過改變葉片角度，使前艙冷卻氣流進風量達到最大，改善了AGS 在開啟狀態下的前艙冷卻氣流進風量，從而滿足前艙冷卻氣流進風量的要求。

1 研究方案設置

選定原始狀態為0°，以正y軸為法向，順時針為正角度，參考葉片和水平方向的夾角，從-45°到45°，按照15°的變化量，設置了7 種不同的角度，分別為-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°和45°，葉片的角度變化如圖1 所示。將設計好的各個葉片的角度方案數模放置在整車數模中，進行單因素方案研究，利用CFD 分析手段對各個方案的前端進風量進行對比分析，尋找最優的葉片角度。

圖1 AGS 葉片角度方案

2 模型的處理和邊界設置

2.1 模型處理

在本研究中，整車計算域采用長方體形式，計算域入口距車頭為1 倍車長距離，出口距離車尾為3 倍車長距離，總體寬度為5 倍車寬，高度為4 倍車高，計算域總大小為21 m×10 m×6 m。整車網格模型如圖2 所示。車身表面采用2 mm 至10 mm的三角形面網格進行離散，采用四面體網格對計算域進行離散，同時為了提高計算精度，對前艙區域進行加密處理，整體體網格數量約為2 000 萬個，加密網格如圖2 所示。

圖2 整車網格模型

在前艙模型處理方面，由于本文主要對前艙的進氣流流量進行研究，所以整個前艙的各個部件均需要保留在模型中。各個零部件表面用10 mm 三角形面網格進行離散，前端冷卻模塊（CRFM）和AGS 用5 mm 三角形面網格，前格柵區域由于造型比較復雜，為保留足夠的細節，采用2 mm 面網格。圖3 為整車前艙模型面網格示意圖。前艙模型如圖4 所示，前艙大部分零件包括發動機、進氣系統、電池、洗滌液壺等均在模型中保留，只進行必要的幾何清理，如清理較小的螺栓、細管、填補縫隙等。

圖3 整車前艙模型面網格

圖4 前艙模型

在本研究的車型上安裝了單獨的AGS，將AGS布置在前保險杠下端，如圖5 所示。

圖5 AGS 在前艙的布置位置

2.2 邊界設置和湍流模型

仿真研究是基于商用流體軟件Fluent，主要研究解決在90 km/h 的高速工況下CRFM 進氣不足的問題。將計算域入口設置為25 m/s 的速度入口，湍流度選擇0.5%；出口為壓力出口邊界，車身表面設置為無滑移壁面邊界條件，在Condenser、CAC和Radiator 區域采用多孔介質參數，風扇采用Fan Model 模型，擬合曲線采用3 階風扇曲線。

在湍流模型方面，仿真車速只有25 m/s，遠低于聲速340 m/s，因此，在仿真中可以認為是仿真的汽車流場三維不可壓縮的粘性等溫流場。由于汽車外型復雜容易引起分離，所以按照湍流處理。仿真中選用Realizablek-ε湍流模型，采用二階迎風格式進行離散求解，采用CFD 穩態仿真法進行數值計算[8]。

2.3 湍流模型基本方程

Realizablek-ε湍流模型是相對較新的兩方程湍流模型，具有最新的湍流控制方程和針對耗散率的傳遞方程，適用于雷諾應力下確定的數學約束以及湍流流態。關于k和ε的輔運方程如式（1）和式（2）所示。

湍流動能k方程

式（1）和（2）中：Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；σk、σε、C1、C2為常數；K為湍動能；v為流體速度；S為由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項。

Realizablek-ε湍流模型可用于計算各種不同類型的流動，包括剪切流動、邊界層流動以及帶有分離的復雜流動，比較適合汽車流場的數值仿真計算，本仿真研究采用的就是Realizablek-ε湍流模型。

3 仿真結果及分析

通過仿真計算發現，葉片角度和進風量基本呈現多項式曲線的關系，如圖6 所示。其中，在葉片角度為-15°時，前艙冷卻氣流流量達到最大值，相比原始最大開度位置，即角度為0°時，散熱器進風量增加1.1 CMM。進風量流量和角度之間的關系為從-45°開始隨著角度增加流量逐漸增加，在-15°達到最大值，之后隨著角度增加流量逐漸減小，從-15°到45°，AGS 開度減小的過程中，氣流流量以接近線性關系的方式急劇下降。

圖6 進氣流量和AGS 角度的關系

由于篇幅問題，本文選取-45°到30°的結果進行對比分析，研究進氣量增加的原因。

圖7 為從-45°到30°不同角度葉片下的前艙速度云圖，對比分析速度云圖可以發現，由于該車型下格柵開口相對水箱位置在z方向上更靠下方，導致下格柵下邊界和水箱下邊界連線與x方向存在一定的角度。

圖7 不同葉片角度下前艙速度分布

AGS 的葉片角度在-15°左右時基本和下格柵下邊界和水箱下邊界的角度一致，葉片對氣流起到了很好的導流作用，從而使更多的氣流流向水箱的方向，致使進氣量達到最大化。

同時，從通過葉片的氣流速度值來看（如圖7中的黑框區域內速度云圖所示），葉片在-15°時，氣流通過葉片位置時有明顯的加速現象。而其他角度對葉片的開度影響更大，開度減小致使通過AGS的氣流量大大減小，最終導致通過水箱的冷卻氣流量急劇減小。

圖8 為冷凝器入口從-45°到30°的速度分布云圖，該車型冷凝器布置在CRFM 最前端，氣流流過AGS 最先進入冷凝器。

由圖8 中的速度云圖可知，在冷凝器進風面上，中間和下端區域的流量速度分布變化非常明顯，速度較大區域呈現出先增加后減小的區域。其中，在葉片角度為-15°時，高速區域面積達到最大，和進氣量的變化趨勢完全一致，說明通過調節葉片角度主要改變的是中、下端區域的進氣量分布。

圖8 不同角度葉片下水箱入口速度分布

通過改變AGS 葉片角度，對下格柵的氣流起到引導作用，使更多的氣流通過AGS 流向水箱方向，從而導致水箱入口下端區域的氣流速度大大增加，因此，進氣量相對其他幾種方案顯著增加。

4 結論

本文采用CFD 仿真法來研究汽車前艙的AGS葉片角度對前端進氣量的影響。研究了在不同角度的葉片下，前艙冷卻氣流流量的變化，并對比了前艙的氣流速度分布和水箱上的速度分布。研究發現：

（1）AGS 的葉片角度對前艙冷卻氣流的影響較大，葉片角度和氣流流量呈現多項式曲線的關系。

（2）葉片角度并非水平狀態下的最優，而應該根據格柵開口邊界和水箱布置位置進行優化，本研究中的葉片角度為-15°時，進氣流量最大。

（3）在某些AGS 葉片角度下，前艙進氣流量會高于100%開度下的流量值，在AGS 葉片角度設計過程中應將該因素考慮在內。

（4）調整葉片角度到最佳位置對氣流起到導流作用，可以使更多氣流流向水箱，從而增加在AGS開啟時流過水箱的氣流流量。