王弘揚(yáng)，徐磊，張雪艷

摘要：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)密封性直接影響整車(chē)散熱性能，并間接影響動(dòng)力性和續(xù)駛里程。采用CFD手段，對(duì)某SUV車(chē)型的前艙流場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)散熱器與周邊零件存在空隙導(dǎo)致密封性下降。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)泡沫密封件對(duì)空隙進(jìn)行封堵，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，最大車(chē)速工況下進(jìn)風(fēng)利用率提升了3.8%，怠速工況下熱空氣回流占比降低了5%，驗(yàn)證了措施的有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙；密封性；數(shù)值模擬

冷卻系統(tǒng)的散熱器和空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器布置在整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端，以格柵進(jìn)入的空氣為介質(zhì)散熱，因此前機(jī)艙的空氣流場(chǎng)將直接影響上述系統(tǒng)的性能，更高的密封性可減少冷空氣泄露和熱空氣回流[1，2]，也可減少整車(chē)空氣阻力 [3]。張坤等[4]通過(guò)CFD手段驗(yàn)證了減少熱空氣回流后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的改善情況。朱晴等[5]研究了不同密封結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣利用率的影響。Mathur[6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了12種車(chē)型的前端流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)均存在不同程度的密封設(shè)計(jì)缺陷。

本研究通過(guò)CFD手段對(duì)前艙流場(chǎng)進(jìn)行分析，識(shí)別泄漏點(diǎn)并提出解決方案，優(yōu)化了某SUV車(chē)型的的前艙密封性。

物理模型與網(wǎng)格

1.幾何結(jié)構(gòu)

為準(zhǔn)確分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣側(cè)流場(chǎng)狀態(tài)，使用1：1尺寸搭建整車(chē)模型，保留機(jī)艙內(nèi)全部零部件結(jié)構(gòu)，對(duì)于本研究最關(guān)注的前格柵到冷卻模塊間的空氣流域，盡量不做簡(jiǎn)化處理，并注意保留各零件間的空隙。對(duì)于冷卻模塊后的發(fā)動(dòng)機(jī)變速器等零件，因?qū)λP(guān)注流域影響有限且結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，僅保留外部輪廓。風(fēng)洞尺寸為：30 000mm×5 000mm×6 500mm。

2.網(wǎng)格劃分

因整車(chē)零部件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用自下而上的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成策略，如圖1所示，分別生成各零件的三角形面網(wǎng)格后，拼接成整車(chē)面網(wǎng)格，后基于面網(wǎng)格尺寸生成整車(chē)體網(wǎng)格。其中，格柵、散熱器、導(dǎo)風(fēng)件等重要零件基本單元為4mm，車(chē)身表面基本單元為12mm。整車(chē)面網(wǎng)格數(shù)量為700萬(wàn)個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)量為4300萬(wàn)個(gè)。

數(shù)學(xué)模型

1.控制方程

本研究中，因空氣流速較低，簡(jiǎn)化為不可壓縮流體。散熱器翅片區(qū)域通過(guò)多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化，流體所占體積份額由多孔介質(zhì)區(qū)內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的孔隙率表征。

質(zhì)量守恒方程

（） v 0 （1）

式中 ρ ——密度；

v

——流速。

動(dòng)量守恒方程

（）vv p ? g Sv （2）

式中p——靜壓；

Sv——廣義源項(xiàng)；

——應(yīng)力張量。

（3）

式中 μ——黏度；

I——單位張量。

對(duì)于散熱器芯體的翅片結(jié)構(gòu)，阻力由一個(gè)附加阻

力源項(xiàng)表示，由粘性損失項(xiàng)與慣性損失項(xiàng)組成。

S Ci

v =- v vv

1

2 （4）

式中 1

α

——黏性阻力系數(shù)；

Ci——慣性阻力系數(shù)。

2.湍流模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣的流動(dòng)特性，本研究采用可實(shí)現(xiàn)k-ε 湍流模型，相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，可更好地模擬漩流等流動(dòng)狀態(tài)[7]。

3.邊界條件

為更好地分析前艙的冷空氣泄漏和熱空氣回流狀態(tài)，分別針對(duì)最大車(chē)速工況和怠速工況進(jìn)行仿真，邊界條件見(jiàn)表1。

模型中包括冷凝器、低溫散熱器和高溫散熱器三個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)，通過(guò)試驗(yàn)獲得各散熱器的壓降損失與迎面風(fēng)速的擬合曲線(xiàn)，如圖2所示。

通過(guò)設(shè)置空氣通過(guò)扇葉位置的壓力變化，模擬風(fēng)扇對(duì)流場(chǎng)的影響，壓降與風(fēng)速的關(guān)系通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得后擬合曲線(xiàn)，如圖3所示。對(duì)于最大車(chē)速工況，風(fēng)扇為零功率狀態(tài)；怠速工況，風(fēng)扇為最大功率狀態(tài)。

結(jié)果與討論

1.密封優(yōu)化前流場(chǎng)分析

為定量評(píng)價(jià)前艙密封性，定義兩個(gè)參數(shù)：進(jìn)風(fēng)利用率和熱空氣回流占比。在最大車(chē)速工況下，格柵進(jìn)入的風(fēng)量大于通過(guò)冷卻模塊風(fēng)量，以進(jìn)風(fēng)利用率評(píng)價(jià)密封性，等于通過(guò)主散熱器風(fēng)量與格柵進(jìn)入風(fēng)量的比值，此值越高說(shuō)明密封性越好。在怠速工況下，格柵進(jìn)入的風(fēng)量小于通過(guò)冷卻模塊風(fēng)量，以熱空氣回流占比評(píng)價(jià)密封性，等于通過(guò)主散熱器風(fēng)量減去格柵風(fēng)量后，與主散熱器風(fēng)量的比值，此值越低說(shuō)明密封性越好。

圖4所示是冷卻模塊位置結(jié)構(gòu)，冷卻模塊固定在前端框架上，四個(gè)導(dǎo)風(fēng)件連接前格柵與冷卻模塊構(gòu)成一個(gè)風(fēng)道。但在散熱器的四個(gè)角位置，因裝配工藝，存在一個(gè)無(wú)法由導(dǎo)風(fēng)件密封的空隙，因此可能存在泄漏點(diǎn)。

圖5和圖6所示是在密封優(yōu)化前的最大車(chē)速工況和怠速工況下速度矢量圖。在最大車(chē)速工況，可以看到導(dǎo)風(fēng)件將從格柵進(jìn)入的大部分空氣導(dǎo)入了冷卻模塊中。但在冷卻模塊與前端框架之間的空隙位置，可以觀察到存在明顯的泄漏。在怠速工況，風(fēng)扇以最大功率工作，可以看到通過(guò)冷卻模塊的空氣大部分是由風(fēng)扇通過(guò)格柵吸入的冷空氣，但也有部分空氣是從泄漏點(diǎn)吸入的機(jī)艙內(nèi)熱空氣。

根據(jù)對(duì)速度矢量圖的分析，此狀態(tài)的密封設(shè)計(jì)存在缺陷，需要采取措施進(jìn)行優(yōu)化以改善整車(chē)的散熱性能。

2.密封優(yōu)化后流場(chǎng)分析

為解決冷卻模塊與前端框架間的泄漏點(diǎn)問(wèn)題，根據(jù)周邊零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了密封塊，如圖7所示。密封塊材質(zhì)為泡沫，通過(guò)過(guò)盈配合使其封住周邊空隙。

圖8和圖9所示是增加密封塊后的最大車(chē)速工況和怠速工況下速度矢量圖?？梢钥吹?，在兩種工況下，泄漏點(diǎn)均被密封件有效地封堵了，有效減少了最大車(chē)速工況下的冷空氣泄漏和怠速工況的熱空氣回流。

表2是增加密封塊前后的關(guān)鍵位置風(fēng)量對(duì)比。對(duì)于最大車(chē)速工況，在增加密封件后，由于前艙密封性的提升，車(chē)外空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的阻力增加，所以格柵進(jìn)風(fēng)量下降。但由于泄漏量的減小，通過(guò)主散熱器的風(fēng)量提升，進(jìn)風(fēng)利用率提升了3.8%。

對(duì)于怠速工況，密封性提升后，熱空氣由風(fēng)扇吸入冷卻模塊的阻力變大，因此通過(guò)主散熱器的風(fēng)量降低，但由于減少的風(fēng)量來(lái)自艙內(nèi)熱空氣，實(shí)際上對(duì)冷卻性能有所優(yōu)化，且由于密封性的提升，從格柵吸入的冷空氣風(fēng)量提升，熱空氣回流占比降低了5%。

結(jié)語(yǔ)

使用CFD手段對(duì)某SUV車(chē)型前艙流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)結(jié)構(gòu)檢查和速度矢量圖判斷密封性問(wèn)題后，通過(guò)泡沫密封件對(duì)其進(jìn)行了密封。密封前后的關(guān)鍵位置風(fēng)量變化顯示密封措施有效。

參考文獻(xiàn)：

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