劉 念，孫躍東，吳旭陵，陸飛龍，于卓弘

（1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

基于CFD的汽車前端結(jié)構(gòu)匹配研究

劉 念1，孫躍東1，吳旭陵2，陸飛龍2，于卓弘2

（1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

采用CFD仿真技術(shù)結(jié)合正交試驗方法對主要前端結(jié)構(gòu)進行了匹配研究。基于Fluent平臺，搭建了整車的前端結(jié)構(gòu)分析模型，設(shè)計了9種正交試驗方案，系統(tǒng)地研究了前端格柵開口、冷凝器導(dǎo)流板、冷卻風(fēng)扇直徑對整車前端進氣、氣動阻力的影響。通過整車風(fēng)洞試驗及熱管理環(huán)境艙試驗對最優(yōu)配置進行了驗證，相對誤差值約2.28%。改進方案的Cd值為0.421 06，比改進前降低3%，且動力總成冷卻系統(tǒng)（PTC）性能良好。研究結(jié)果對商用車前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計和匹配具有指導(dǎo)意義。

前端結(jié)構(gòu)匹配；正交試驗；CFD仿真；整車試驗

引用格式：

前端配置包括進氣格柵開口、冷卻模塊（冷凝器、散熱器、中冷器）和風(fēng)扇總成等結(jié)構(gòu)部件。目前，國內(nèi)外學(xué)者對前端結(jié)構(gòu)的研究主要集中在通風(fēng)散熱方面[1-4]。WATANABE等[1]基于一維與三維耦合仿真模擬手段，分析了前端結(jié)構(gòu)對汽車發(fā)動機艙熱管理的影響。COSTA[2]采用CFD軟件研究了進氣格柵開口大小、形狀等幾何因素對發(fā)動機艙內(nèi)部散熱性能的影響。通用汽車的楊志剛等[3]基于三維仿真軟件STAR-CD，通過對比搭載傳統(tǒng)和全新前端冷卻模塊的發(fā)動機艙內(nèi)部速度場、溫度場，結(jié)合實車試驗的驗證，提出了全新的汽車?yán)鋮s模塊概念。哈飛汽車的李玉平[4]通過熱管理環(huán)境艙試驗研究了前端進氣格柵、散熱器以及冷卻風(fēng)扇單體設(shè)計對發(fā)動機散熱性能的影響。眾多研究成果加深了人們對前端結(jié)構(gòu)的理解，也推動了前端結(jié)構(gòu)匹配問題的研究。

在整車開發(fā)流程中，為縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，前端結(jié)構(gòu)的匹配主要利用CFD仿真技術(shù)進行研究改進?？紤]到前端配置的匹配需要兼顧動力總成冷卻系統(tǒng)（PTC）性能和整車空氣動力學(xué)性能。因此，本研究針對某企業(yè)的皮卡車型，基于Fluent平臺搭建有效的仿真模型，借助于正交試驗來探究不同前端結(jié)構(gòu)因素對整車前端進氣、氣動阻力的影響規(guī)律，以此匹配最優(yōu)的前端結(jié)構(gòu)配置方案。

1 前端結(jié)構(gòu)仿真分析基礎(chǔ)

1.1 基本方程組和湍動能模型

基于Fluent軟件的前端進氣分析和氣動阻力分析，涉及了汽車的內(nèi)外流場耦合的過程，需要滿足下列流動與傳熱的基本方程組[5]。

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

將空氣看作不可壓縮氣體，ρu為常數(shù)，取值為1.225，單位為kg/m3。

1.1.2 動量守恒方程

式中：P為流體壓力；u為液體粘度；S為廣義源項；i和j為張量指標(biāo)，取值范圍為1，2，3。

1.1.3 能量守恒方程

式中：keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；h為焓；J為擴散流量；Sh為熱源項。

1.1.4 可實現(xiàn)的湍動能方程

湍動能模型選用Realizable k-ε方程，其計算精度高，適用范圍廣，可以更為精準(zhǔn)地模擬汽車的復(fù)雜流場分布情況[6]。

湍動能k方程：

湍動能耗散率ε方程：

其中C1、η、S的表達式如下：

式（4）～（5）中：ρu為密度，kg/m3；Ui為i方向的速度，m/s；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，m2/s2；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能，m2/s2；Sk、Sε為用戶定義項；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)，設(shè)定為1.44、1.9、0.8；為K方程的Prandtl數(shù)； 為ε方程的Prandtl數(shù)。

1.2 離散方法和格式

由于有限體積法對網(wǎng)格的精度、數(shù)量要求不高，且積分守恒精準(zhǔn)，所以通過該離散方法對計算區(qū)域內(nèi)的所有控制體積單元進行積分，將原先的連續(xù)性微分方程轉(zhuǎn)換成離散方程組[7]。

一般情況下，對于面網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格、體網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格的復(fù)雜流動問題，通常需要采用二階精度的離散格式，因此采用二階迎風(fēng)格式進行插值離散求解。

二階迎風(fēng)格式的對流-擴散離散方程為：

式中各參數(shù)用下式表達：

其中，流動方向為正，α=1；流動方向為負(fù)，α=10。

2 建立仿真模型

2.1 網(wǎng)格劃分

對含有發(fā)動機艙和底盤件的1∶1整車模型進行幾何清理，局部特征網(wǎng)格進行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為3～5 mm，整車總體區(qū)域面網(wǎng)格尺寸為10～15 mm，面網(wǎng)格形式為三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為5 464 634個。軟件窗口界面中shaded-elements狀態(tài)的整車模型，如圖1所示。

圖1 整車數(shù)模

為了保證整車內(nèi)、外流場能夠充分延展，將整車置于計算域中間位置，整車的長、寬、高為L、W、H，計算域的長度為10 L，寬度為8 W，高度為5.5 H，側(cè)面距離汽車邊界為3.5 W。將質(zhì)量檢查合格的面網(wǎng)格模型直接導(dǎo)入T-Grid軟件，并生成計算區(qū)域和整車的體網(wǎng)格。體網(wǎng)格形式主要為四面體網(wǎng)格，多孔介質(zhì)區(qū)域體網(wǎng)格形式為六面體網(wǎng)格，計算網(wǎng)格總數(shù)為42 672 845個，整車附近流場區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。截取αY =10截面的計算域網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 體網(wǎng)格處理

2.2 邊界條件設(shè)置

2.2.1 多孔介質(zhì)

在Fluent軟件的條件設(shè)置中，冷凝器、中冷器、散熱器的簡化數(shù)學(xué)模型和多孔介質(zhì)的數(shù)學(xué)模型相同，即通過在動量方程中增加粘性阻力項和慣性損失項來表述流體計算域中換熱器的多孔性材料對前端進氣流體的流動阻力[8]。

將冷卻模塊定義為簡易的均勻多孔介質(zhì)，Darcy動量源項簡化為式（7），多孔介質(zhì)參數(shù)的具體設(shè)置情況見表1。

式中：Si為多孔介質(zhì)元件的壓降；μ為粘性系數(shù)；Pi為慣性阻力系數(shù)；ρu為空氣的密度；V為多孔介質(zhì)表面的垂直速度分量；Pv為粘性阻力系數(shù)。

表1 多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)置

2.2.2 冷卻風(fēng)扇MRF模型

針對冷卻風(fēng)扇選擇MRF模型，建立獨立的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域,旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（1 242.7，1.646，237.185），旋轉(zhuǎn)軸矢量為（1，0，0），旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min，網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2.3 邊界條件

使用數(shù)值模擬的方法對整車數(shù)模進行前端進氣和空氣動力學(xué)分析，實際是在模擬氣體經(jīng)過汽車的流動過程，具體的模型和參數(shù)設(shè)置見表2。

圖3 冷卻風(fēng)扇網(wǎng)格模型

表2 邊界條件設(shè)置

工程設(shè)計上，動力總成冷卻系統(tǒng)（PTC）性能的前期開發(fā)是參考汽車前端進氣狀態(tài)來設(shè)計考慮的。按照整車設(shè)計規(guī)范，前端進氣的仿真計算工況為惡劣工況（4擋、80 km/h、爬坡）的散熱器進風(fēng)量，氣動阻力的仿真計算工況為車速120 km/h（國內(nèi)的高速路段行駛速度上限）的氣動阻力系數(shù)。

3 正交試驗設(shè)計

正交試驗方法能夠根據(jù)正交表選取部分試驗代替全因子試驗，從而精簡試驗次數(shù)，提高試驗效率。

3.1 因素及水平選取

整車前端進氣與氣動阻力的主要前端配置影響因素很多，為了避免造成試驗矩陣過大，不適宜全部選取。由于整車開發(fā)過程中，冷卻模塊布置形式已經(jīng)確定為中冷器-冷凝器-散熱器。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗和工程技術(shù)成本顧慮，不再考察冷卻模塊布置形式、格柵形狀的影響。

基于上述考慮，從車輛燃油經(jīng)濟性理論分析的角度出發(fā)，提出了影響試驗結(jié)果的3個影響因素：

（1）格柵開口率A，即格柵的開口面積到散熱器表面積的正投影率，如圖4a所示。

（2）冷凝器導(dǎo)流板角度B，即冷凝器下端導(dǎo)流板與z軸的夾角，如圖4b所示。

（3）冷卻風(fēng)扇直徑C，即風(fēng)扇的電機直徑，如圖4c所示。

圖4 前端配置因素示意圖

前端配置的因素和水平確定后，將利用正交表進行3因素3水平的L9（33）正交試驗，其試驗因素水平安排見表3。

3.2 正交試驗方案

由上文設(shè)計的試驗因素及水平表可知，這是一個3因素3水平的正交試驗，并且不考慮各因素之間的交互作用，因此可以選擇L9（33）正交試驗矩陣表安排試驗，正交試驗表及試驗結(jié)果見表4。

表3 前端配置試驗因素水平表

表4 前端配置的正交試驗矩陣

3.3 仿真計算結(jié)果

采用Fluent軟件對上述前端配置的試驗方案進行前端進氣及氣動阻力仿真分析，得到各個方案的響應(yīng)目標(biāo)值，見表5。優(yōu)化前前端結(jié)構(gòu)因素、水平配置為A3B2C3，仿真分析得出風(fēng)阻系數(shù)Cd為0.419 810 4，散熱器芯體進風(fēng)量為57.73 CMM。

表5 正交試驗結(jié)果表

注：Cd表示整車風(fēng)阻系數(shù)；Q表示散熱器芯體進風(fēng)量，均為正交試驗設(shè)計的響應(yīng)指標(biāo)。PTC性能設(shè)計要求：4擋、80 km/h、爬坡工況下的散熱器芯體進風(fēng)量不可低于45 CMM。

3.4 數(shù)據(jù)分析

3.4.1 極差分析

為了找出各因素對各響應(yīng)指標(biāo)的影響規(guī)律，采用極差分析法對數(shù)據(jù)進行分析。極差是一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之差，極差值越大表示該因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響越大，該因素越關(guān)鍵；極差值越小表示該因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響越小，該因素重要度越低。表6和表7為各因素不同水平對各響應(yīng)指標(biāo)的極差分析結(jié)果。

表6 響應(yīng)目標(biāo)Cd極差分析

表7 響應(yīng)目標(biāo)-Q極差分析

比較不同列的極差大小可以得到選定因素對響應(yīng)目標(biāo)的影響程度大小。Rj值大表明該因素j對響應(yīng)目標(biāo)影響大，反之則表明該因素對響應(yīng)目標(biāo)影響小。根據(jù)極差分析結(jié)果，得出各響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)均值圖，如圖5和圖6所示。

圖5 因素水平-響應(yīng)均值Cd分布

圖6 因素水平-響應(yīng)均值Q分布

由圖5可知，整車風(fēng)阻系數(shù)Cd隨格柵開口率A增大而增大，隨冷卻風(fēng)扇直徑C增大而減小。由于響應(yīng)指標(biāo)Cd是望小最優(yōu)，因此各因素影響強弱順序為A＞B＞C，且最優(yōu)水平分別為14.8%（A1）、+15（B3）、480 mm（C3）。

由圖6可知，散熱器芯體進風(fēng)量Q隨格柵開口率A、冷卻風(fēng)扇直徑C增大而增大。由于響應(yīng)指標(biāo)Q是望大最優(yōu)，因此各因素影響強弱順序為A＞B＞C，且最優(yōu)水平分別為24.8%（A3）、-15（B1）、480 mm（C3）。

兼顧前端進氣和氣動阻力性能匹配最優(yōu)的前端結(jié)構(gòu)配置，應(yīng)先確保前端進氣量滿足設(shè)計要求，再選擇氣動阻力性能最優(yōu)的配置形式，以此節(jié)約整車能耗。綜上所述，方案3（A1B3C3）是最佳的前端結(jié)構(gòu)匹配方案。

3.4.2 速度云圖分析

發(fā)動機艙散熱狀況和整車氣動阻力深受氣流的流動狀態(tài)影響，所以研究發(fā)動機艙內(nèi)的空氣流動特性十分必要。CFD仿真分析可以得到前端配置改進前后αy =10截面的速度云圖，如圖7所示。

圖7 速度云圖

由圖7a可知，改進前前端結(jié)構(gòu)的前端進氣量大，內(nèi)流阻力較大，氣動性能較差。格柵開口率大，外界氣流會快速流入進氣格柵。由于冷凝器下部導(dǎo)流板與z軸平行，氣流經(jīng)過時沒有經(jīng)過任何導(dǎo)流的作用，會較快地通過冷卻模塊。由圖7b可知，改進后空氣流入前端進氣格柵的速度明顯減小，經(jīng)過冷凝器下部導(dǎo)流板時速度變化梯度平緩，且冷凝器芯體迎風(fēng)面區(qū)域流場速度較優(yōu)化前變低，整個前端的流場得到較大的改善，內(nèi)部阻力損失有效降低。雖然前端進氣量較優(yōu)化前有所降低，但是散熱器芯體表面進風(fēng)風(fēng)量滿足設(shè)計規(guī)范要求，發(fā)動機冷卻性能穩(wěn)定。

4 試驗驗證

4.1 整車風(fēng)洞試驗

整車風(fēng)洞試驗設(shè)備主要包括：上海地面交通工具風(fēng)洞中心的五帶移動地面系統(tǒng)、六分量測試天平、實車模型和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。參照整車風(fēng)洞試驗規(guī)范，將整車固定于測試地面中心，進行整車氣動阻力風(fēng)洞試驗，如圖8所示。調(diào)整整車姿態(tài)，測得整車正投影面積為2.940 2 m2。

圖8 氣動阻力風(fēng)洞試驗

設(shè)定整車風(fēng)洞試驗考核工況為120 km/h下，風(fēng)速穩(wěn)定狀態(tài)的整車風(fēng)阻系數(shù)。試驗全過程，風(fēng)機工作帶動氣流從氣動聲學(xué)風(fēng)洞噴口流出并吹向試驗車輛，風(fēng)速由0 逐漸增加至120 km/h，待風(fēng)速穩(wěn)定在120 km/h狀態(tài)，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會自動采集該工況下的整車風(fēng)阻系數(shù)。數(shù)據(jù)采集完畢，風(fēng)機停止工作，車輛前端氣流停止流動。

對比響應(yīng)目標(biāo)Cd的最優(yōu)前端配置方案的仿真分析結(jié)果和整車風(fēng)洞試驗結(jié)果，見表8。試驗結(jié)果表明，改進前后的仿真數(shù)值與試驗數(shù)值變化趨勢相同，仿真誤差平均值約3.36%，誤差較小。CFD氣動阻力分析可以使用于前端配置風(fēng)阻優(yōu)化的前期設(shè)計階段。

表8 CFD仿真與風(fēng)洞試驗結(jié)果

4.2 整車熱管理環(huán)境艙試驗

整車熱管理環(huán)境艙試驗設(shè)備主要包括：熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫度傳感器等裝置。試驗依據(jù)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，對整車發(fā)動機艙內(nèi)所關(guān)注的部件進行布點，如圖9所示。

圖9 發(fā)動機艙內(nèi)布點示意圖

根據(jù)商用車熱管理試驗法規(guī)，在某技術(shù)中心的環(huán)境艙內(nèi)對整車進行完整的城市、城郊、4擋50 km/h爬坡7.2%以及4擋80 km/h爬坡7.2%等工況熱管理測試。由于本研究在熱管理試驗中僅關(guān)注發(fā)動機冷卻系統(tǒng)能力是否滿足設(shè)計目標(biāo)，因此重點關(guān)注惡劣考核工況的試驗數(shù)據(jù)。

依據(jù)數(shù)采系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，整理惡劣考核工況下各個散熱部件的測點溫度，見表9。4擋、80 km/h、7.2%爬坡工況下的發(fā)動機出水溫度低于115℃，油底殼機油溫度均低于135℃，變速器油溫均低于132℃，滿足發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求。最優(yōu)前端配置方案的發(fā)動機系統(tǒng)冷卻性能良好，方案可行性高。

表9 熱管理試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文為了匹配合理的前端結(jié)構(gòu)方案，通過仿真與整車試驗相結(jié)合的方法對某皮卡的前端結(jié)構(gòu)進行了匹配優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

（1）利用Fluent平臺對氣動阻力特性及前端進氣進行了仿真研究，得出了前端結(jié)構(gòu)因素的影響規(guī)律，格柵開口率對氣動阻力和前端進氣影響最大，冷卻風(fēng)扇直徑對氣動阻力影響最弱，冷凝器導(dǎo)流板角度對前端進氣影響最弱。

（2）仿真數(shù)據(jù)分析表明，最優(yōu)前端結(jié)構(gòu)配置為A1B3C3，風(fēng)阻系數(shù)為0.410 764 9，散熱器表面進風(fēng)量為46.92 CMM。

（3）在整車風(fēng)洞試驗中，測得前端結(jié)構(gòu)改進后的整車風(fēng)阻系數(shù)為0.421 06，比改進前降低3%，相對誤差約2.82%，誤差較小。在整車熱管理環(huán)境艙試驗中，測得考核工況下的發(fā)動機出水溫度、油底殼機油溫度、變速器油溫均滿足設(shè)計要求，改進方案的動力總成冷卻系統(tǒng)（PTC）性能良好。

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Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD

LIU Nian1，SUN Yuedong1，WU Xuling2，LU Feilong2，YU Zhuohong2
（1. College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai 200438，China）

The paper investigated the matching of the main front-end structure by using CFD simulation technology and the orthogonal test method.The simulation model of vehicle front-end structure was built based on Fluent software. Nine orthogonal test schemes were designed to study the effects of the front grille opening, the guide plate of condenser and the cooling fan diameter on the front-end intake and aerodynamic resistance of the automobile. The optimal configuration was verified by the wind tunnel and the thermal management environmental chamber tests, and the simulation error was about 2.28%. The drag coefficient of the improved scheme is 0.421 06, which is about 3% lower than before the improvement,and the good performance of the powertrain in cooling (PTC) system is achieved.The paper is instructive for design and matching of commercial front-end structures.

front-end structure matching; orthogonal test; CFD simulation; vehicle test

U461.1；U467.1+3

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.05

2017-04-24 改稿日期：2017-05-29

上海市研究生創(chuàng)新基金（JWCXSL 1022）

劉念，孫躍東，吳旭陵，等. 基于CFD的汽車前端結(jié)構(gòu)匹配研究 [J]. 汽車工程學(xué)報，2017，7(5)：342-349.

LIU Nian，SUN Yuedong，WU Xuling，et al. Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：342-349. (in Chinese)

作者介紹

責(zé)任作者：孫躍東（1965-），男，江蘇興化人。教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛動力系統(tǒng)及匹配技術(shù)、車輛發(fā)動機性能測試。

E-mail：syd@usst.edu.cn

劉念（1992-），女，安徽六安人。碩士研究生，主要研究方向為汽車空氣動力學(xué)、汽車熱管理技術(shù)。

Tel：13301898576

E-mail：1457737023@qq.com