章林鳳

（北汽福田汽車股份有限公司 集團(tuán)產(chǎn)品規(guī)劃本部，北京 102206）

在當(dāng)今中國汽車市場(chǎng)，消費(fèi)需求不斷升級(jí)，國家的排放法規(guī)政策也越來越嚴(yán)格，對(duì)于整車在價(jià)格、性能、可靠性、舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、售后服務(wù)的及時(shí)性、低使用成本等方面的要求越來越高?？諝庾枇Γ?］是影響燃油消耗主要因素之一，所以最大限度地減小整車空氣阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同時(shí)也能減少排放并降低使用成本。但這會(huì)降低散熱系統(tǒng)冷卻空氣流速，即影響整車散熱性能，整車將無法滿足在高溫環(huán)境下的作業(yè)。

本文介紹的國內(nèi)某自主品牌卡車開發(fā)項(xiàng)目，在產(chǎn)品實(shí)車性能測(cè)試階段，發(fā)現(xiàn)整車油耗及散熱系統(tǒng)水溫偏高，難以形成產(chǎn)品競爭力。最后通過仿真分析，對(duì)整車駕駛室頂部導(dǎo)流罩和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了空氣阻力，同時(shí)大大降低整車散熱系統(tǒng)的水溫，提高了產(chǎn)品競爭力。本文中采用的PowerFLOW分析軟件是多年以來汽車行業(yè)中空氣動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)工具［2-4］，擁有全面的、成熟的熱分析能力，其發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能的仿真精度在以往的成功案列已被證實(shí)［5-7］。

1 仿真數(shù)學(xué)模型

流體仿真使用格子玻爾茲曼方程（LBE）算法進(jìn)行。這種方法在文獻(xiàn)［8，9］中有大量詳細(xì)描述，這里作簡要的概述。

從動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)，玻爾茲曼方程描述了一種代表性的顆粒以及它們?nèi)绾窝葑優(yōu)榱黧w。玻爾茲曼方程可以寫成下列形式，見式（1）：

式中：f為速度的概率分布函數(shù)；θ為碰撞算子。

在一個(gè)格子的形式中，這樣的方程可以表示為代數(shù)方程組的每個(gè)狀態(tài)的概率分布fi：

一個(gè)格子BGK碰撞項(xiàng)：

式中：τ為弛豫時(shí)間和為格子平衡態(tài)分布函數(shù)，用速度表示為［10］：

通過定義速度分布函數(shù)，液體動(dòng)力學(xué)變量例如密度和速度可以寫為：

通過所有i狀態(tài)碰撞項(xiàng)求和等于零，LBE進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量守恒：

使用修改后的基于原始的RNG公式K-ε模型建立湍流效應(yīng)模型[11，12]：

這基于湍流模型的LBE，傳遞出流動(dòng)歷史和上游信息，并包含考慮非線性雷諾應(yīng)力的高階項(xiàng)［13］。通過解決下面的偏微分方程，評(píng)估在溫度中的變化：

通過修改LAX-Wendroff格式的時(shí)間有限差分等來求解湍流和溫度方程。

2 仿真幾何模型

開發(fā)facetized格式的卡車幾何模型。此幾何模型是來自車輛的CAD模型，用于空氣動(dòng)力學(xué)以及熱學(xué)仿真。為了達(dá)到最大精度的目的，圖1為卡車幾何模型。

3 仿真的邊界條件

3.1 仿真優(yōu)化工況

空氣動(dòng)力性能和散熱性能仿真優(yōu)化工況如下：

a）發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)性能極限工況：以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、車速13.3 km/h進(jìn)行；

b）空氣動(dòng)力學(xué)性能工況：以車速100 km/h進(jìn)行仿真計(jì)算。

仿真是基于車輛三維模型，仿真分析結(jié)果采用設(shè)計(jì)優(yōu)化后理論分析數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判定。

3.2 數(shù)字風(fēng)洞設(shè)置

將facetized格式的幾何模型放入數(shù)字風(fēng)洞中，數(shù)字風(fēng)洞帶有邊界條件和更多工況參數(shù)，如指定的工作條件和熱交換性能等。數(shù)字風(fēng)洞是用來重現(xiàn)公路行駛條件，即非常低的障礙和完全移動(dòng)的地板。因此，卡車的車輪設(shè)置為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的面體邊界條件。

3.3 冷卻模塊安裝

冷卻模塊安裝由中冷器及散熱器兩個(gè)熱交換器組成，這兩個(gè)熱交換器用多孔介質(zhì)建模。對(duì)于熱仿真，來自冷卻液流動(dòng)的熱量和交換到空氣中的熱量通過“PowerCOOL”加入耦合。零部件供應(yīng)商提供的冷卻器壓降特性以及熱的特點(diǎn)，分別如圖2和圖3所示。

散熱性能仿真使用的風(fēng)扇模型為完整的幾何形狀，風(fēng)扇是帶有風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的模塊化模型。在空氣動(dòng)力學(xué)仿真中，風(fēng)扇幾何模型已被刪除，且除去風(fēng)扇的影響，通過對(duì)風(fēng)扇模型的內(nèi)部線刪除來實(shí)現(xiàn)。

表1 CFD模型的工況

4 整車空氣阻力的仿真及優(yōu)化

整車的總體空氣阻力是影響空氣動(dòng)力性能的主要參數(shù)。然而，除了用總體空氣阻力數(shù)據(jù)外，也可以充分利用流場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究環(huán)繞整個(gè)卡車的空氣流動(dòng)行為，進(jìn)行阻力的細(xì)化、量化描述，來指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖4顯示：優(yōu)化前，導(dǎo)流罩的初始設(shè)計(jì)沒有足夠的停滯區(qū)來轉(zhuǎn)移空氣流量，達(dá)到避免汽車貨廂前方空氣存在的目的；除了大型高壓區(qū)，在駕駛室頂上方的流動(dòng)顯示了一個(gè)大的分隔區(qū)，導(dǎo)致顯著的總壓力損失；此外，還有部分高壓空氣流量流入駕駛室后端和車廂之間的間隙。

在綜合分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要重新設(shè)計(jì)一概念車頂導(dǎo)流罩。基于審美造型因素，重新設(shè)計(jì)的車頂導(dǎo)流罩高度不得超過原車頂導(dǎo)流罩，最好解決辦法是設(shè)計(jì)一種更加陡峭的導(dǎo)流罩角度。

圖5中的概念分析表明，優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)的車頂導(dǎo)流罩以一種更好的方式轉(zhuǎn)移空氣流動(dòng)。因此卡車貨廂前方的空氣停滯、車頂上方及高壓空氣流量流入間隙大部分得以避免。表面壓力顯示，關(guān)于車廂前方的角落部分，仍然有一些需要特別優(yōu)化的潛力，這需要微調(diào)的車頂導(dǎo)流罩形狀。

相對(duì)于原車，通過優(yōu)化后設(shè)計(jì)變更獲得減少阻力約14%。

由圖6可見：駕駛室本身的阻力實(shí)際上是增加的，這是由于車頂導(dǎo)流罩角度較陡，造成更高的壓力。顯然，車廂前方壓力較低，其中基線顯示風(fēng)阻進(jìn)一步增加，而優(yōu)化修改后的設(shè)計(jì)風(fēng)阻顯著減少。

基于這些結(jié)果，采用兩種車頂導(dǎo)流罩裝車，進(jìn)行道路試驗(yàn)燃油消耗測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)帶來7%左右燃油效率的提高，占風(fēng)阻降低效率的一半。這與卡車燃油效率研究的結(jié)果非常一致，即動(dòng)力的50%～60%用于克服高速行駛時(shí)的空氣阻力［1］。

表2為同一底盤不同高度貨廂車型外流場(chǎng)分析?？梢钥吹?，相對(duì)于原車，無論哪一種車頂導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，車廂前方上都有較大的空氣流體沖擊。流體離開導(dǎo)流罩更多地沖向車廂，導(dǎo)致車廂前部的壓力更高。盡管如此，導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)依然貢獻(xiàn)了9.1%的改善。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)阻對(duì)比 %

5 整車散熱性能的仿真及優(yōu)化

這部分工作涉及的主要參數(shù)是散熱器進(jìn)口冷卻液溫度、中冷器出口溫度以及冷卻空氣流速。所有的數(shù)值分析，在相同的車輛運(yùn)行工況下（見表1）進(jìn)行?；鶞?zhǔn)（原車）的仿真結(jié)果顯示冷卻液溫度明顯高于設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表3所示。在高溫惡劣的工況下運(yùn)行，整車散熱性能測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)顯示無法滿足性能目標(biāo)要求。

表3 基準(zhǔn)仿真結(jié)果和冷卻性能目標(biāo)對(duì)比

表4 測(cè)量數(shù)據(jù)和CFD預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

從發(fā)動(dòng)機(jī)窗流場(chǎng)的詳細(xì)分析可以看出散熱性能不足的幾個(gè)原因。如圖7所示，冷卻模塊左、右側(cè)有顯著的熱流量再循環(huán)以及散熱模塊內(nèi)逆向流動(dòng)。此外，風(fēng)扇罩內(nèi)的氣流量再循環(huán)，阻塞了通過散熱器的空氣流動(dòng)的途徑，因此導(dǎo)致散熱性能較差的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)窗、風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的形狀設(shè)計(jì)。

從分析看出：在冷卻模塊的側(cè)面、頂部和底部，增加防止空氣流再循環(huán)的隔板，可以改善冷卻模塊的散熱性能。比較表3和表4，這個(gè)簡單的優(yōu)化設(shè)計(jì)增加隔板方案確實(shí)顯著降低進(jìn)入冷卻模塊空氣的溫度，實(shí)現(xiàn)了散熱器頂部水室溫度降低效果，散熱器不會(huì)過熱并保持車況穩(wěn)定。從表4可以看出，測(cè)得的數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果吻合良好。

因?yàn)樵诘缆沸旭倻y(cè)試工況下沒有非常精確的控制測(cè)試條件，以及考慮散熱器性能的不穩(wěn)定性，保留2℃設(shè)計(jì)余量。如果能在精確定義工況下進(jìn)行仿真分析，可以減少這種設(shè)計(jì)余量。增加隔板方案實(shí)施后，進(jìn)行仿真。圖8和圖9表明在冷卻模塊中仍然存在反向流動(dòng)和漩流問題。因此，進(jìn)行更多仿真分析用來解決這些問題，尋求全面優(yōu)化的可行性方案。

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步清除仍然存在的少量逆向流動(dòng)和部分漩流，需要全方位的仿真優(yōu)化且保留冷卻模塊散熱余量，以保證未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)或發(fā)動(dòng)機(jī)性能的升級(jí)。

附加迭代設(shè)計(jì)：將風(fēng)扇導(dǎo)流罩（護(hù)風(fēng)圈）結(jié)構(gòu)及風(fēng)扇尺寸進(jìn)一步優(yōu)化。散熱器上水室溫度最終可以達(dá)到84.1℃，大大低于目標(biāo)。對(duì)于這樣的結(jié)果，在散熱量增加40%的工況負(fù)荷下，完成了最終的數(shù)字測(cè)試，且散熱器頂部的水室溫度也仍然沒有超過目標(biāo)。道路測(cè)試水溫?cái)?shù)據(jù)顯示，對(duì)于無論是以后整車更換更大動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)或減排，優(yōu)化的散熱模塊也能有足夠的散熱能力來滿足散熱量增加的需求。

表5為所有熱仿真結(jié)果的匯總。進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)扇導(dǎo)流罩（護(hù)風(fēng)圈）流體分析，顯示完全除去了空氣反向流動(dòng)，同時(shí)護(hù)風(fēng)罩內(nèi)空氣渦流也大大減少，如圖10所示。

表5 所有方案散熱器和中冷器有顯著改善的熱仿真結(jié)果匯總

6 結(jié)論

仿真優(yōu)化后，整車的空氣阻力減少14%，降低油耗7%左右；散熱器出水溫度降低了37.2℃，進(jìn)水溫度降低31℃。數(shù)據(jù)表明，在較短的時(shí)間內(nèi)，卡車的空氣動(dòng)力性能和散熱性能都顯著的改善。同時(shí)，讓我們很好認(rèn)識(shí)和理解流體細(xì)節(jié)，并以非常可控方式減少了相當(dāng)程度不利的空氣流動(dòng)現(xiàn)象，取得了良好的效果。

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