黃 軼
(上海汽車集團股份有限公司乘用車公司動力總成集成部空調(diào)科, 上海 201804)
隨著近幾年汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展, 各整車廠面臨越來越大的競爭壓力。 為了贏得市場, 各家紛紛推出新產(chǎn)品, 涉及外飾件改款的所謂小改款車型成為新產(chǎn)品推出的一種重要選擇。 然而, 無論是前保險杠、 前端格柵或是前照燈等零部件的修改, 都離不開對改款后的各項性能進行再次驗證。 傳統(tǒng)方法多是通過將原型車和改款車進行整車對比試驗, 但因試驗驗證方法周期長、 成本高, 故而無法縮短開發(fā)周期。
隨著計算機技術的發(fā)展, CFD技術被越來越多地應用到汽車設計中。 通過CFD模擬分析在各設計階段的介入, 可以及時驗證設計, 同時幫助優(yōu)化設計方案, 縮短開發(fā)周期, 節(jié)約開發(fā)成本。 然而,CFD模擬在模型選擇和計算精度上仍不是非常成熟, 所以本文通過兩款不同格柵 (圖1) 冷卻模塊氣流狀態(tài)的模擬, 對比實際的整車試驗結果, 分析模擬與試驗結果的差異。
冷卻模塊是用于冷卻發(fā)動機的各冷卻零部件的組合, 一般來說主要包括散熱器、 冷卻風扇和中冷器等。 因為其通常布置在發(fā)動機艙前段位置, 故常稱之為前端冷卻模塊。
本文中前端冷卻模塊的氣流模擬選用Fluent求解器, Fluent包含所有的求解方程, 可以直接得到計算結果也可以進行后處理。 選用K-ε不可壓湍流模型進行穩(wěn)態(tài)計算, 差分格式為二階迎風格式, 隱式解法, 殘差曲線判定精度為1.0e-6。 在求解初始化時, 將3個方向的初始速度設為0, 地面固定不動(模擬風洞試驗)。
將CAD模型導入ANSA中進行幾何處理, 建立求解域。 計算域與網(wǎng)格劃分如圖2所示。 將在ANSA中生成的面網(wǎng)格導入TGrid生成體網(wǎng)格, 最后將生成的體網(wǎng)格讀入Fluent 中求解計算, 總網(wǎng)格數(shù)14000000, 節(jié)點數(shù)2942813。
1) 計算域進口 速度進口邊界, 設定為13.89 m/s (相當于50 km/h車速)。
2) 計算域出口 壓力出口邊界。
3) 風扇模型 選用Fluent自帶風扇模型, 通過風扇試驗數(shù)據(jù)擬合二次曲線, 得出多項式系數(shù)。
4) 散熱器模型 多孔介質(zhì), 域內(nèi)阻力系數(shù)由相關散熱器的試驗數(shù)據(jù)整理得出。
5) 流動介質(zhì) 空氣溫度為25 ℃, 空氣密度為1.205 kg/m3。 車體、 風扇、 散熱器為流體區(qū)域。
圖3為車速50 km/h條件下, 兩款車的散熱器和冷卻風扇質(zhì)量流量的比較結果。 由圖3可以得出,前端散熱器空氣質(zhì)量流量的差異在8%以內(nèi), 冷卻風扇的差異在6%之內(nèi), 格柵1性能略好于格柵2。同時, 因為兩款格柵的上、 下部分的造型都有較大的不同, 所以流經(jīng)冷卻模塊上、 下端面空氣的速度有比較明顯的差異, y=0.1截面上的速度矢量圖見圖4和圖5。
由速度矢量圖可以看出, 流經(jīng)格柵1的空氣平均速度明顯高于格柵2, 且流經(jīng)散熱器的平均速度的趨勢也大致相同。
2011年7月12日, 在某風洞試驗室內(nèi)進行兩款車的發(fā)動機冷卻試驗, 比較兩款格柵對冷卻性能的影響。 試驗工況為車速50km/h, 環(huán)境溫度38 ℃, 兩車除了前保格柵外沒有區(qū)別。 上水管溫度試驗結果如表1所示。
表1 上水管溫度試驗結果℃
由表1數(shù)據(jù)可知, 模擬7.2%坡度的試驗時, 在上水管水溫達到穩(wěn)定的情況下, 格柵1的上水管溫度比格柵2低3.2℃; 減小一定負載, 模擬4%坡度后,格柵1上水管溫度比格柵2低4.4 ℃, 兩者相差不大。
雖然實際試驗和CFD模擬計算都不可避免地會產(chǎn)生一定的誤差, 但是對于類似前保格柵這類部分零部件改動的驗證性試驗, CFD可以代替實際試驗給出指導意見。
在50 km/h車速下, 通過CFD仿真可知: 流經(jīng)格柵1散熱器的空氣質(zhì)量流量比格柵2高5%~7%, 試驗結果顯示格柵1上水管溫度比格柵2高3.2~4.4 ℃, 兩者趨勢吻合, 差異幅度也接近。
CFD模擬前端冷卻模塊流場氣流狀態(tài)與試驗結果吻合, 在項目前期概念設計階段和小改型項目時, 可以代替性能對標試驗, 減少整車開發(fā)費用,對整車開發(fā)具有指導意義。
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