袁俠義，朱宇澤，彭麗娟

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

傳統(tǒng)的氣動(dòng)CFD分析和熱管理分析工作是分別進(jìn)行的，在熱管理分析中更偏重溫度場(chǎng)的分析，而空氣動(dòng)力學(xué)則更偏重流場(chǎng)的分析[1]。

對(duì)于前端冷卻模塊進(jìn)氣量控制，換熱器參數(shù)和風(fēng)扇參數(shù)在前期都是基于單品性能試驗(yàn)輸入，與搭載在實(shí)車上的性能參數(shù)存在較大差別。熱管理模型的分析與標(biāo)定需要到樣車階段在環(huán)模艙進(jìn)行。因此，對(duì)于前期的CFD分析，存在無(wú)模型標(biāo)定、仿真測(cè)試一致性不足的問(wèn)題[2-5]。

本研究在開(kāi)發(fā)前期，通過(guò)油泥模型在氣動(dòng)風(fēng)洞中測(cè)試前端模塊表面風(fēng)速來(lái)標(biāo)定熱管理CFD模型的方法，提升了熱管理CFD分析精度，為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期平衡熱管理和氣動(dòng)阻力問(wèn)題提供了參考依據(jù)[6-7]。

1 模型制作與測(cè)試方法

1.1 模型制作

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆榆囈话愀鶕?jù)空氣動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)發(fā)需求，按照實(shí)車比例制作。模型需正確表達(dá)車身外造型，且包含下車體細(xì)節(jié)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)通道。由外造型、機(jī)艙總成、下車體總成、輪胎總成共同組成。

上車體總成指汽車初步造型面（Concept A Surface，CAS），一般由油泥銑削和ABS樹(shù)脂或者代木和ABS樹(shù)脂兩種方式加工而成，能夠精準(zhǔn)表達(dá)造型每一個(gè)細(xì)節(jié)，如格柵特征、后視鏡、分縫、特征線等，一起固定于骨架上，同時(shí)保證后視鏡可拆卸、機(jī)艙蓋能正常打開(kāi)。

下車體主要包含前后懸架系統(tǒng)、副車架、傳動(dòng)系統(tǒng)、擋泥板、附件等，一般由ABS樹(shù)脂或ABS和泡沫加工而成，如圖1所示。

圖1 油泥模型下車體

為了保證散熱系統(tǒng)的真實(shí)阻抗特性，機(jī)艙總成中的冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇主要由實(shí)車樣件代替。前端模塊支架、機(jī)艙各零部件等一般由ABS樹(shù)脂或ABS樹(shù)脂+泡沫加工而成，如圖2所示。

圖2 油泥模型發(fā)動(dòng)機(jī)艙

輪胎總成一般包含制動(dòng)盤、輪盤、輪胎、輪轂、制動(dòng)鉗等，這部分主要由實(shí)車樣件代替。

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)選擇在國(guó)內(nèi)某風(fēng)洞中心進(jìn)行，可以提供足夠均勻的流場(chǎng)，包括均勻的風(fēng)速分布、流向分布、低紊流度以及模擬路面小的邊界層厚度，滿足工程分析的需求。為獲得散熱器前部風(fēng)速和分布情況，試驗(yàn)中在冷凝器前部布置了12個(gè)葉輪式風(fēng)速儀，在中冷器前布置了4個(gè)葉輪式風(fēng)速儀，如圖3所示。

圖3 冷凝器和中冷器風(fēng)速儀布置方案

試驗(yàn)過(guò)程基于油泥模型的基礎(chǔ)狀態(tài)，進(jìn)行一系列優(yōu)化方案的整改分析，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)怠速、中低速、高速3種工況。以前端冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量和車輛的風(fēng)阻系數(shù)Cd值作為考核標(biāo)準(zhǔn)，并與仿真模型進(jìn)行對(duì)比修正。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)

前端冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量是風(fēng)速與冷卻模塊面積的積分，對(duì)于相同車型，冷卻模塊一致，面積上總進(jìn)風(fēng)量即與面平均風(fēng)速成正比關(guān)系，考慮試驗(yàn)與仿真的比對(duì)與標(biāo)定，采用風(fēng)速來(lái)進(jìn)行風(fēng)量的等效對(duì)比驗(yàn)證。試驗(yàn)中詳細(xì)選取車輛基礎(chǔ)狀態(tài)的3種速度工況測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。

表1 三種工況下?lián)Q熱器表面風(fēng)速實(shí)測(cè)值

續(xù)表1：

表2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值

3 CFD模型建立及標(biāo)定

3.1 物理模型

通常情況下，汽車的行駛速度遠(yuǎn)小于聲速，氣流馬赫數(shù)很低，因此數(shù)值計(jì)算中一般把空氣當(dāng)作不可壓縮粘性流體處理[8]?；贑CM+軟件的前端進(jìn)氣分析和氣動(dòng)阻力分析，涉及了汽車的內(nèi)外流場(chǎng)耦合的過(guò)程，需要滿足下列流動(dòng)與傳熱的基本方程組。

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

將空氣看做不可壓縮流體，式中：(ρu為常數(shù)，取值為1.225，單位為kg/m3；ui為流體速度沿i方向上的分量。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

式中：p為靜壓力；為應(yīng)力矢量；ρgi為i方向上的重力分量；Fi為由于阻力和動(dòng)力傳遞而引起的其它能量項(xiàng)。

1.1.3 能量守恒方程

式中：h為焓；k為分子傳導(dǎo)率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積元。

本文中湍流輸運(yùn)方程選擇的Realizablek-ε高雷諾數(shù)模型，已經(jīng)被有效地用于各種類型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、管道內(nèi)流動(dòng)以及帶有分離的流動(dòng)[9]。

3.2 計(jì)算模型

3.2.1 前端散熱模塊模型

在工程應(yīng)用中，考慮到計(jì)算軟硬件資源，為了提高計(jì)算效率，通常都將換熱器簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型，需要設(shè)定多孔介質(zhì)的慣性阻尼系數(shù)、粘性阻尼系數(shù)、孔隙率[10]。風(fēng)扇采用MRF方法來(lái)模擬，風(fēng)扇域網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)將動(dòng)量源加載到風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)掃過(guò)區(qū)域的網(wǎng)格[11]。

本文所研究的機(jī)艙前端冷卻模塊布置關(guān)系如圖4所示。

圖4 前端冷卻模塊布置方案

3.2.2 邊界條件和求解設(shè)定

流場(chǎng)計(jì)算邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及各個(gè)部件的散熱功率需求對(duì)前端冷卻模塊輸入散熱量。對(duì)控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，對(duì)各物理量采用全隱式分離求解，采用SIMPLE算法來(lái)耦合壓力速度，空間離散滿足二階精度，能量方程的殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-6，其余項(xiàng)設(shè)置為10-3[12]。

表3 流場(chǎng)計(jì)算邊界條件設(shè)定

3.3 CFD模型標(biāo)定

前端冷卻模塊換熱器多孔介質(zhì)的參數(shù)根據(jù)單品性能試驗(yàn)獲取，擬合出換熱器單品的粘性阻力系數(shù)Pv和慣性阻力Pi，由于機(jī)艙內(nèi)流阻力的影響，在整車環(huán)境下的換熱器阻力系數(shù)一般大于臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)[13]。同時(shí)，基于工程經(jīng)驗(yàn)，由于風(fēng)扇MRF模型熱尾跡的理想化[14]，實(shí)際需求的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一般大于仿真的輸入值。模型標(biāo)定的過(guò)程，一是通過(guò)細(xì)化格柵和飾條的網(wǎng)格尺寸使仿真模型與實(shí)車近似度更高[15]，二是通過(guò)修正阻力系數(shù)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速這些參數(shù)使換熱器表面風(fēng)速的仿真值與試驗(yàn)值趨于一致[16]。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后仿真模型所得到的風(fēng)速值見(jiàn)表4。

表4 模型標(biāo)定后3種工況下?lián)Q熱器表面風(fēng)速仿真值

冷凝器風(fēng)速vc/(m·s-1)3.31 3.21 4.80 2.46 2.64 3.57 2.29 2.21 2.82 2.54 3.19 4.01 2.78 3.26 3.84 0.36 0.58 3.00 0.77 0.73 2.36 0.68 0.82 2.44 0.89 1.24 3.23冷凝器平均風(fēng)速vc ave/(m·s-1) 2.48 2.64 4.03中冷器平均風(fēng)速vi ave/(m·s-1) 0.68 0.84 2.76中冷器風(fēng)速vi/(m·s-1)

標(biāo)定后的模型冷凝器與中冷器表面平均風(fēng)速仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差小于5%，通過(guò)將換熱器表面分區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定修正可以使標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確度較高[17]。

4 方案優(yōu)化

針對(duì)標(biāo)定后的熱管理模型，在中低速工況下對(duì)導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開(kāi)口兩種優(yōu)化方案對(duì)前端冷卻進(jìn)氣的影響進(jìn)行研究。

加裝導(dǎo)流罩后，由圖5的分析結(jié)果可知，氣流到達(dá)前端模塊的速度明顯增加，機(jī)艙熱回流明顯減少，冷凝器氣流流量增加8.64%，散熱器氣流流量增加6.83%，中冷器流量增加5.14%。而且加裝導(dǎo)流罩后，通過(guò)引導(dǎo)前端模塊前部的氣流順暢流動(dòng)，減少了混流，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)由0.291減小至0.285。

發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板開(kāi)口后，冷凝器風(fēng)速減小1.17%，中冷器風(fēng)速增加2.05%，其原因在于部分艙內(nèi)氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板通過(guò)，減小了機(jī)艙下半部分的內(nèi)流阻力，從而中冷的冷卻進(jìn)風(fēng)量會(huì)增大，而用于冷凝器部分由于周邊壓力減小，會(huì)有少量耗散，整車的風(fēng)阻系數(shù)由于內(nèi)流阻力減小，由0.285減小至0.284。目前主流的散熱氣流的出風(fēng)位置除了在下護(hù)板上還可以有很多安置，如圖6所示。散熱口的形狀設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)導(dǎo)流優(yōu)化方案來(lái)調(diào)整排氣方向，最大限度減少機(jī)艙內(nèi)湍流和對(duì)外流場(chǎng)的影響，如圖7所示。

圖5 相同截面風(fēng)速矢量圖分布對(duì)比

圖6 散熱氣流出口位置

圖7 散熱口形狀優(yōu)化方案

5 結(jié)論

本文提出采用油泥模型在氣動(dòng)風(fēng)洞中測(cè)試前端模塊的風(fēng)量標(biāo)定熱管理CFD模型的方法，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期修正模型，提升了前端模塊進(jìn)氣量的準(zhǔn)確度。采用該方法能更準(zhǔn)確地優(yōu)化前端模塊導(dǎo)流罩等對(duì)冷卻系統(tǒng)有影響的零部件。對(duì)于機(jī)艙熱保護(hù)而言，零部件的表面對(duì)流換熱系數(shù)在前期就能獲得較為準(zhǔn)確的輸入，提高溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確度。該方法也能使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的優(yōu)化做到空氣動(dòng)力學(xué)性能和熱管理性能的最佳平衡。

除了前端冷卻模塊的標(biāo)定，熱管理CFD模型標(biāo)定可以調(diào)節(jié)的參數(shù)還有整車網(wǎng)格設(shè)置、流體邊界層設(shè)定和湍流模型等，要獲得更加準(zhǔn)確的整車熱管理CFD模型還需要大量的工程研究和對(duì)計(jì)算流體力學(xué)更加深入的理解。