馮燕燕，李義林，王麗華

Feng Yanyan，Li Yilin，Wang Lihua

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400023）

0 引 言

隨著人們對(duì)車輛載重能力的要求逐漸提高，制造商必須不斷地提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和性能,這使得提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能成為必要。發(fā)動(dòng)機(jī)理想的散熱條件是保證有充足的氣流通過散熱器芯體，使冷卻介質(zhì)帶走足夠多的熱量。散熱器外形是影響流經(jīng)的氣流形式的主要因素，良好的散熱器外形可以保證更多的氣流通過并可消除回流現(xiàn)象，減小氣流外泄露量。因此，散熱器外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的重要措施。

傳統(tǒng)研發(fā)汽車產(chǎn)品的方法往往需要預(yù)先制作許多樣車并進(jìn)行路試試驗(yàn)，但其成本非常高，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不利于產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)展。目前，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)被廣泛用于汽車領(lǐng)域流體熱力學(xué)的仿真模擬，被證實(shí)是一個(gè)可靠、強(qiáng)大的研發(fā)工具。文中以某車型發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)原型散熱器進(jìn)氣氣流形式進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在此基礎(chǔ)上，采用已驗(yàn)證的CFD模型模擬比較4種不同外形散熱器進(jìn)氣氣流形式，目的是為了掌握其各自的氣流分布形式，優(yōu)化散熱器外形，以求提高散熱器的冷卻效率及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。

1 散熱器氣流分布測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)本散熱器構(gòu)造組成，研究將一個(gè)與其結(jié)構(gòu)類似的，經(jīng)過改進(jìn)的散熱器設(shè)備平臺(tái)作為試驗(yàn)對(duì)象，其構(gòu)造如圖 1所示。試驗(yàn)條件：一是認(rèn)為車輛是靜止不動(dòng)的；二是將環(huán)境壓力設(shè)為大氣壓101325 Pa，溫度為當(dāng)時(shí)試驗(yàn)室內(nèi)溫度34℃。為了獲得散熱器內(nèi)氣流分布形式，將風(fēng)速計(jì)微探針安裝其內(nèi)，具體測(cè)點(diǎn)位置如圖 2所示。試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)將為CFD模型的可靠性驗(yàn)證提供依據(jù)。

2 CFD理論模型

1）物理模型設(shè)置

（1）將進(jìn)氣流動(dòng)視為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)；

（2）由于氣流速度不大，認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng)；

（3）忽略空氣濕度影響，將流體介質(zhì)設(shè)為干空氣，溫度設(shè)為34℃；

（4）采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)域；

（5）所有變量迭代格式采用二階迎風(fēng)格式，求解器為基于壓力-速度耦合的Simple算法。

2）邊界條件設(shè)置

（1）進(jìn)口邊界設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口；出口邊界設(shè)為壓力出口。

（2）風(fēng)扇邊界采用壓強(qiáng)躍升邊界模型，壓強(qiáng)躍升函數(shù)如式（1）。

其中，ΔP為壓強(qiáng)躍升量，U為風(fēng)扇速度，Cn為多項(xiàng)式系數(shù)。

（3）散熱器芯體采用多孔介質(zhì)邊界模型，壓強(qiáng)損失函數(shù)如式（2）。

其中，ΔP為壓強(qiáng)損失量，U為速度，A、B為擬合系數(shù)。

（4）散熱器壁視為絕熱邊界。

2.1 CFD模擬計(jì)算

關(guān)于不同外形散熱器進(jìn)氣氣流形式的模擬采用商用CFD軟件Fluent求解器計(jì)算，前處理采用Hypermesh和T-Grid程序分別進(jìn)行面網(wǎng)格、體網(wǎng)格劃分。為使迭代過程更穩(wěn)定，求解時(shí)先采用一階迎風(fēng)格式，待計(jì)算穩(wěn)定后改用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解，求解殘差設(shè)為1.0E-6。

2.2 模型介紹

針對(duì)原有散熱器模型（base case）進(jìn)氣氣流形式的特點(diǎn)，文中提出了 4種改進(jìn)型護(hù)風(fēng)罩外形，分別為case1、case2、case3和case4，其各自外形特征如圖 4（a）、（b）、（c）和（d）所示。

3 結(jié)果與分析

為了更直觀、清晰地觀察散熱器內(nèi)部氣流分布形式，F(xiàn)luent求解完后，采用后處理模塊對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理。圖3為原散熱器模型（base case）內(nèi)部氣流速度矢量分布云圖，從圖3（a）中看出，在散熱器上部位置存在一個(gè)強(qiáng)烈的回流區(qū)域，且散熱器周圍的氣流泄露量較大，如圖3（b）所示。

圖4分別為 case1、case2、case3和case4模型截面速度矢量分布云圖。從圖中可以看出，對(duì)照 base case流場(chǎng)分布，case1內(nèi)部氣流場(chǎng)并未見到回流強(qiáng)烈區(qū)域，回流現(xiàn)象得到了有效的改善；從case2流場(chǎng)分布云圖可以看到，雖然存在回流區(qū)域，但該區(qū)域較base case小很多，影響作用較弱；case3流場(chǎng)分布與case1相似，但回流區(qū)域較之要小，流場(chǎng)分布更有利于氣流通過；case4較其他4個(gè)模型，回流現(xiàn)象基本消除，流場(chǎng)分布較理想，且 case4中氣流泄露明顯減弱，如圖5所示。

流場(chǎng)中存在回流現(xiàn)象，不僅不利于冷卻介質(zhì)將發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱量帶走，也會(huì)影響氣流通過散熱器芯體的速率。圖6為base case和4種改進(jìn)外形散熱器內(nèi)部進(jìn)氣速率測(cè)點(diǎn)平均值。從圖可知，氣流通過case4散熱器的平均速率為5.6 m/s，較base case散熱器氣流通過速率4.2 m/s提高35%。其余3種外形散熱器均較base case有所提高，提高幅度分別為26%，32%和32%。

4 總 結(jié)

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能，提升散熱器的冷卻效率，結(jié)合CFD模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)試驗(yàn)對(duì)原散熱器模型氣流形式進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：1）原散熱器模型流場(chǎng)存在較大的回流區(qū)域，導(dǎo)致通氣量較小；另外，原散熱器設(shè)計(jì)導(dǎo)致氣流泄露量較大，不利于帶走熱量。2）CFD模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，證明了CFD模型的可信性?；隍?yàn)證的CFD模型，文中對(duì)4種改進(jìn)外形的散熱器護(hù)風(fēng)罩進(jìn)行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種模型內(nèi)部的氣流場(chǎng)均較原模型要好，回流現(xiàn)象有減弱或消除趨勢(shì)，泄露現(xiàn)象也得到了較好改善，氣流通過量相比原模型有所增加，最大提高35%。

通過本研究可知，采用CFD技術(shù)可以有效地模擬汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠大大縮短研發(fā)時(shí)間和降低研發(fā)成本。

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