發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)前端進(jìn)氣數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究

黃軼

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

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)前端進(jìn)氣數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究

黃軼1，2

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092；2.上海汽車集團(tuán)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(shù)值仿真的方法，研究不同車速情況下導(dǎo)風(fēng)罩和導(dǎo)流板對(duì)前端進(jìn)氣的影響，并與前端進(jìn)氣整車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證；基于仿真模型，分析導(dǎo)流板上開口和加長(zhǎng)導(dǎo)流板改進(jìn)方案對(duì)前端進(jìn)氣的影響。研究結(jié)果表明：前端進(jìn)氣量的仿真計(jì)算結(jié)果與整車試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；前端進(jìn)氣量隨車速的增加而增加；在各車速情況下，導(dǎo)風(fēng)罩對(duì)前端進(jìn)氣量的影響大于導(dǎo)流板；在導(dǎo)流板上開口可以增加經(jīng)過前端冷卻模塊的空氣流量，而加長(zhǎng)導(dǎo)流板在50km／h車速下前端進(jìn)氣量有所減小。本文對(duì)前端進(jìn)氣的研究，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)性能積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)整車前期冷卻系統(tǒng)的開發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

前端進(jìn)氣；導(dǎo)風(fēng)罩；導(dǎo)流板；仿真；試驗(yàn)

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，使得對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的要求越來(lái)越高。作為汽車動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能的優(yōu)劣將直接影響汽車的可靠性、安全性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而對(duì)于功率不斷提高的現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行過程中其散熱量也隨之上升。有數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量30%是由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走的［1］，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能受很多因素影響，很難做出精確的計(jì)算［2］。根據(jù)經(jīng)典換熱理論，一般可以將經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端結(jié)構(gòu)進(jìn)入冷卻模塊的冷卻空氣的流量即前端進(jìn)氣量作為評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能的主要因素［3］。前端進(jìn)氣量主要受到前保險(xiǎn)杠、導(dǎo)風(fēng)罩和導(dǎo)流板等發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端零部件的影響，因此，對(duì)于內(nèi)外飾零件更改的小改款車型，不同內(nèi)外飾零件對(duì)前端進(jìn)氣量影響的分析是前期開發(fā)中的重要步驟之一。本文以某乘用車為研究對(duì)象，結(jié)合三維CFD計(jì)算和整車前端進(jìn)氣量試驗(yàn)測(cè)量的手段，研究不同車速下導(dǎo)風(fēng)罩和底部導(dǎo)流板2個(gè)內(nèi)外飾零件對(duì)前端進(jìn)氣的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 前端進(jìn)氣研究對(duì)象簡(jiǎn)介

1）冷卻模塊冷卻模塊是用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的各冷卻零件的組合，一般來(lái)說(shuō)主要包括散熱器、冷卻風(fēng)扇和中冷器等。因?yàn)槠渫ǔ２贾迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)艙前端，故常稱之為前端冷卻模塊。

2）導(dǎo)風(fēng)罩導(dǎo)風(fēng)罩是安裝在冷卻模塊上的板狀罩蓋，主要的作用是引導(dǎo)前端進(jìn)氣并使大部分空氣經(jīng)過冷卻模塊。特別在怠速等低速工況下，可以有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流回流到散熱器。圖1為導(dǎo)風(fēng)罩安裝在冷卻模塊上的示意圖。

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

圖1 導(dǎo)風(fēng)罩示意圖

圖2 底部導(dǎo)流板示意圖

2 數(shù)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，F(xiàn)luent包含所有的求解方程，可以直接得到計(jì)算結(jié)果，也可以進(jìn)行后處理。選用K-ε不可壓湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，差分格式為二階迎風(fēng)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(shí)，將3個(gè)方向的初始速度設(shè)為0。地面固定不動(dòng)（模擬風(fēng)洞試驗(yàn)）。

2.2 建立幾何模型

將在CATIA中建立的整車三維數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入ANSA中進(jìn)行幾何處理，建立的計(jì)算域如圖3所示。將在ANSA中生成的面網(wǎng)格導(dǎo)入TGrid生成體網(wǎng)格，最后將生成的體網(wǎng)格讀入Fluent中求解計(jì)算，總網(wǎng)格數(shù)12000000，節(jié)點(diǎn)數(shù)1942813。

圖3 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件的設(shè)定

1）計(jì)算域進(jìn)口速度進(jìn)口邊界，車速大小決定來(lái)流速度大小。

2）計(jì)算域出口壓力出口邊界。

3）風(fēng)扇模型選用Fluent自帶風(fēng)扇模型，通過風(fēng)扇試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合二次曲線，得出多項(xiàng)式系數(shù)。

4）換熱器模型多孔介質(zhì)，域內(nèi)阻力系數(shù)由相關(guān)換熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出。

5）流動(dòng)介質(zhì)空氣溫度為25℃，空氣密度為1.205 kg／m3。車體、風(fēng)扇、換熱器為流體區(qū)域。

2.4 仿真結(jié)果分析

為了清晰比較導(dǎo)風(fēng)罩和底部導(dǎo)流板2個(gè)零件對(duì)前端進(jìn)氣的影響，將無(wú)導(dǎo)風(fēng)罩和底部導(dǎo)流板的組合定義為方案1，其余組合方案及其仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同組合方案下前端進(jìn)氣量仿真結(jié)果

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

為了進(jìn)一步比較4個(gè)組合方案對(duì)前端進(jìn)氣量的影響，以50km／h車速的計(jì)算結(jié)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(jìn)氣量計(jì)算結(jié)果。由表1可以發(fā)現(xiàn)，增加導(dǎo)風(fēng)罩或?qū)Я靼宥伎梢栽黾忧岸诉M(jìn)氣量。比較方案2與方案1的仿真計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增加導(dǎo)風(fēng)罩后，前端進(jìn)氣量增加百分比為9.79%，這主要是因?yàn)閷?dǎo)風(fēng)罩在冷卻模塊周圍形成導(dǎo)流通道，防止冷卻空氣回流，進(jìn)而增加進(jìn)氣量。比較方案3與方案1的仿真計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)增加導(dǎo)流板后，前端進(jìn)氣量增加百分比為3.09%，這主要是由于安裝導(dǎo)流板后可以有效組織氣流，對(duì)空氣的流動(dòng)起導(dǎo)向作用，進(jìn)而增加進(jìn)氣量。比較不同組合方案下進(jìn)氣量增加的百分比可以看出，安裝導(dǎo)風(fēng)罩對(duì)前端進(jìn)氣量的影響大于安裝導(dǎo)流板，而安裝導(dǎo)流板和導(dǎo)風(fēng)罩后前端進(jìn)氣量最大。

表1 導(dǎo)風(fēng)罩和底部導(dǎo)流板各組合方案計(jì)算結(jié)果

3 前端進(jìn)氣試驗(yàn)研究

目前在國(guó)內(nèi)外各大汽車公司的前端冷卻模塊開發(fā)中，葉輪式風(fēng)速計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用［4］。該風(fēng)速計(jì)利用葉輪轉(zhuǎn)速與來(lái)流風(fēng)速構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速，可以確定來(lái)流風(fēng)速的大小。相對(duì)于其他形式（如熱線式、多孔管式和激光多普勒式等）的風(fēng)速計(jì)，葉輪式風(fēng)速計(jì)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(yōu)勢(shì)［5］。因此，本文采用東京計(jì)裝株式會(huì)社提供的RF-1000葉輪式風(fēng)速計(jì)，在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心進(jìn)行前端進(jìn)氣整車試驗(yàn)，就導(dǎo)風(fēng)罩和導(dǎo)流板2個(gè)零件對(duì)前端進(jìn)氣的影響進(jìn)行研究。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備安裝

在測(cè)量前端冷卻模塊的進(jìn)氣風(fēng)速時(shí)，常常將葉輪式風(fēng)速計(jì)的多個(gè)葉輪組合成一個(gè)陣列來(lái)進(jìn)行測(cè)量，隨后對(duì)每個(gè)葉輪傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均，來(lái)得到經(jīng)過冷卻模塊的平均風(fēng)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(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

在風(fēng)洞試驗(yàn)室測(cè)量了方案1和方案4在各車速下的前端進(jìn)氣量，并與CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 前端進(jìn)氣試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從圖6中可以看出，在各車速工況下，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的一致性較好，兩者進(jìn)氣量差值百分比最大為9.88%；最大差值出現(xiàn)在20 km／h低速工況下，這可能是低速情況下前端進(jìn)氣受冷卻風(fēng)扇影響較大的緣故。其次，當(dāng)車速?gòu)?0 km／h增加到175km／h，前端進(jìn)氣量相應(yīng)增大，與仿真計(jì)算結(jié)果也是吻合的。由此可以表明上述整車三維仿真模型設(shè)定合理，可以基于該仿真模型對(duì)前端進(jìn)氣開展進(jìn)一步研究。

4 導(dǎo)流板改進(jìn)方案對(duì)前端進(jìn)氣的影響

考慮到導(dǎo)流板對(duì)前端進(jìn)氣量的影響相對(duì)較小，在上文研究基礎(chǔ)上，分析導(dǎo)流板開口及增加導(dǎo)流板長(zhǎng)度2個(gè)改進(jìn)方案對(duì)前端進(jìn)氣量的影響。2個(gè)方案的示意圖如圖7、圖8所示。選取50km／h車速工況進(jìn)行研究，2種方案下前端進(jìn)氣量的仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

圖7 底部導(dǎo)流板開口示意圖

圖8 加長(zhǎng)型底部導(dǎo)流板示意圖

表2 導(dǎo)流板優(yōu)化方案仿真計(jì)算結(jié)果

由表2可以看到，在底部導(dǎo)流板上開口后，前端進(jìn)氣量有了一定的增加。圖9和圖10是底部導(dǎo)流板上開口前后在汽車對(duì)稱截面上的流場(chǎng)分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板上開口方案使得部分底部氣流從開口處流至艙內(nèi)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)經(jīng)過冷卻模塊的風(fēng)量，并且艙內(nèi)的流速也稍有增加。

圖9 導(dǎo)流板開口前流場(chǎng)分布圖

圖10 導(dǎo)流板開口后流場(chǎng)分布圖

在導(dǎo)流板開口方案基礎(chǔ)上，增加了該底部導(dǎo)流板長(zhǎng)度后，流經(jīng)冷卻模塊的進(jìn)氣量有0.84%的下降。圖11和圖12是底部導(dǎo)流板加長(zhǎng)前后在對(duì)稱截面上的流場(chǎng)分布圖?？梢钥吹?，在底部導(dǎo)流板為正常長(zhǎng)度時(shí)，艙內(nèi)空氣可以順利地從發(fā)動(dòng)機(jī)后面向底部流動(dòng)；而加長(zhǎng)導(dǎo)流板后，由于導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加，對(duì)后艙氣流起到了阻礙，艙內(nèi)空氣不能順利從后艙底流出，造成艙內(nèi)靜壓略升。所以在其他條件相同的情況下，底部導(dǎo)流板能起到導(dǎo)流作用，但并不是導(dǎo)流板長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，底部導(dǎo)流板過長(zhǎng)反而會(huì)對(duì)氣流起阻礙作用，形成滯止區(qū)，并不能更為有效地組織氣流，從而導(dǎo)致前端進(jìn)氣量相對(duì)減少。因此，通過導(dǎo)流板2個(gè)改進(jìn)方案對(duì)前端進(jìn)氣量的影響分析可以得到：在底部導(dǎo)流板上開孔可以一定程度上增加經(jīng)過冷卻模塊的空氣流量，而通過加長(zhǎng)底部導(dǎo)流板并不能使前端進(jìn)氣量有所增加，反而使其相對(duì)有所減小。然而，如果考慮到加長(zhǎng)型的底部導(dǎo)流板能有利于降低汽車的氣動(dòng)阻力、防止路面上的積水和沙石硬物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙損壞艙內(nèi)零部件的作用［6］，可以在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能要求的基礎(chǔ)上考慮采用加長(zhǎng)型的底部導(dǎo)流板。

圖11 導(dǎo)流板加長(zhǎng)前流場(chǎng)分布圖

圖12 導(dǎo)流板加長(zhǎng)后流場(chǎng)分布圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合三維CFD仿真與整車試驗(yàn)，研究了導(dǎo)風(fēng)罩、導(dǎo)流板2個(gè)零部件對(duì)前端進(jìn)氣的影響，并分析了導(dǎo)流板上開口和加長(zhǎng)導(dǎo)流板2個(gè)改進(jìn)方案對(duì)前端進(jìn)氣的影響，得到的主要結(jié)論如下。

1）安裝導(dǎo)風(fēng)罩和底部導(dǎo)流板都能增加前端進(jìn)氣量，其中導(dǎo)風(fēng)罩對(duì)前端進(jìn)氣的影響大于導(dǎo)流板。

2）在不同車速的情況下，前端進(jìn)氣量隨車速的增加而增加。

3）仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，相對(duì)誤差小于10%。

4）底部導(dǎo)流板上開口可以增加前端進(jìn)氣量，而加長(zhǎng)底部導(dǎo)流板對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣流沒有實(shí)質(zhì)性改善，反而使前端冷卻模塊進(jìn)氣量在開口導(dǎo)流板方案基礎(chǔ)上減少0.84%。

［1］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.第2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

［2］張靖周.高等傳熱學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］馬虎根，李美玲．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).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(fēng)量測(cè)定法-プロペラ式風(fēng)速計(jì)を用いた測(cè)定方法の開発［C］／／自動(dòng)車技術(shù)會(huì).自動(dòng)車技術(shù)會(huì)學(xué)術(shù)講演會(huì)前刷集，1995.

［6］劉勝軍.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性數(shù)值分析與優(yōu)化［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，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