党 岩，秦 鹏，闫 石

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 200135）

汽车前端冷却气流对于发动机和前舱各个部件的冷却至关重要，足够的冷却气流才能够保证前舱各个零部件和子系统在合适的温度下正常运转，但是冷却气流所带来的前舱内流阻力也是整车气动阻力的主要来源之一，大约占到整车气动阻力的12%左右[1-2]，有效控制进入前舱的气流也是整车降阻的重要措施之一，因此，很多汽车在前舱增加主动进气格栅（ Active Grille Shutter，AGS）来控制在高速工况下进入前舱的冷却气流流量。

AGS 一方面可以降低高速行驶的空气阻力，另一方面由于AGS 本身对于气流有一定的阻塞作用，所以在增加AGS 之后会影响外部流入前舱内的气流量，尤其是在速度相对较高的工况下，如果在此工况下，前端进风量无法满足前舱冷却需求，则需要增加格栅开口面积来进行补偿。

目前，对于AGS 的研究主要集中于减阻和对油耗的影响方面[3-6]，而较少研究AGS 本身对进气流量的影响。LAROSE 等[7]提出AGS 在某些角度下反而会增加阻力，但并未着重研究此现象是否是气流量增加导致的，本文则研究了在配置AGS 后如何最大程度地优化前舱进风量。

通过采用CFD 仿真研究的方式对某三厢轿车的AGS 进行了优化。该三厢轿车在开发过程中需要达到较低的阻力系数来满足油耗需求，因此在下格栅处配置AGS 来改善整车CD，但是由于AGS 对于前端进气通道的阻塞作用，致使车辆在车速相对较高、热负荷较大的90 km/h 车速工况下的前端进风量减小。为了避免因增加前端格栅的开口面积而影响整车CD，本文研究了AGS 叶片的角度和进风量之间的关系，通过改变叶片角度，使前舱冷却气流进风量达到最大，改善了AGS 在开启状态下的前舱冷却气流进风量，从而满足前舱冷却气流进风量的要求。

1 研究方案设置

选定原始状态为0°，以正y轴为法向，顺时针为正角度，参考叶片和水平方向的夹角，从-45°到45°，按照15°的变化量，设置了7 种不同的角度，分别为-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°和45°，叶片的角度变化如图1 所示。将设计好的各个叶片的角度方案数模放置在整车数模中，进行单因素方案研究，利用CFD 分析手段对各个方案的前端进风量进行对比分析，寻找最优的叶片角度。

图1 AGS 叶片角度方案

2 模型的处理和边界设置

2.1 模型处理

在本研究中，整车计算域采用长方体形式，计算域入口距车头为1 倍车长距离，出口距离车尾为3 倍车长距离，总体宽度为5 倍车宽，高度为4 倍车高，计算域总大小为21 m×10 m×6 m。整车网格模型如图2 所示。车身表面采用2 mm 至10 mm的三角形面网格进行离散，采用四面体网格对计算域进行离散，同时为了提高计算精度，对前舱区域进行加密处理，整体体网格数量约为2 000 万个，加密网格如图2 所示。

图2 整车网格模型

在前舱模型处理方面，由于本文主要对前舱的进气流流量进行研究，所以整个前舱的各个部件均需要保留在模型中。各个零部件表面用10 mm 三角形面网格进行离散，前端冷却模块（CRFM）和AGS 用5 mm 三角形面网格，前格栅区域由于造型比较复杂，为保留足够的细节，采用2 mm 面网格。图3 为整车前舱模型面网格示意图。前舱模型如图4 所示，前舱大部分零件包括发动机、进气系统、电池、洗涤液壶等均在模型中保留，只进行必要的几何清理，如清理较小的螺栓、细管、填补缝隙等。

图3 整车前舱模型面网格

图4 前舱模型

在本研究的车型上安装了单独的AGS，将AGS布置在前保险杠下端，如图5 所示。

图5 AGS 在前舱的布置位置

2.2 边界设置和湍流模型

仿真研究是基于商用流体软件Fluent，主要研究解决在90 km/h 的高速工况下CRFM 进气不足的问题。将计算域入口设置为25 m/s 的速度入口，湍流度选择0.5%；出口为压力出口边界，车身表面设置为无滑移壁面边界条件，在Condenser、CAC和Radiator 区域采用多孔介质参数，风扇采用Fan Model 模型，拟合曲线采用3 阶风扇曲线。

在湍流模型方面，仿真车速只有25 m/s，远低于声速340 m/s，因此，在仿真中可以认为是仿真的汽车流场三维不可压缩的粘性等温流场。由于汽车外型复杂容易引起分离，所以按照湍流处理。仿真中选用Realizablek-ε湍流模型，采用二阶迎风格式进行离散求解，采用CFD 稳态仿真法进行数值计算[8]。

2.3 湍流模型基本方程

Realizablek-ε湍流模型是相对较新的两方程湍流模型，具有最新的湍流控制方程和针对耗散率的传递方程，适用于雷诺应力下确定的数学约束以及湍流流态。关于k和ε的辅运方程如式（1）和式（2）所示。

湍流动能k方程

式（1）和（2）中：Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；σk、σε、C1、C2为常数；K为湍动能；v为流体速度；S为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。

Realizablek-ε湍流模型可用于计算各种不同类型的流动，包括剪切流动、边界层流动以及带有分离的复杂流动，比较适合汽车流场的数值仿真计算，本仿真研究采用的就是Realizablek-ε湍流模型。

3 仿真结果及分析

通过仿真计算发现，叶片角度和进风量基本呈现多项式曲线的关系，如图6 所示。其中，在叶片角度为-15°时，前舱冷却气流流量达到最大值，相比原始最大开度位置，即角度为0°时，散热器进风量增加1.1 CMM。进风量流量和角度之间的关系为从-45°开始随着角度增加流量逐渐增加，在-15°达到最大值，之后随着角度增加流量逐渐减小，从-15°到45°，AGS 开度减小的过程中，气流流量以接近线性关系的方式急剧下降。

图6 进气流量和AGS 角度的关系

由于篇幅问题，本文选取-45°到30°的结果进行对比分析，研究进气量增加的原因。

图7 为从-45°到30°不同角度叶片下的前舱速度云图，对比分析速度云图可以发现，由于该车型下格栅开口相对水箱位置在z方向上更靠下方，导致下格栅下边界和水箱下边界连线与x方向存在一定的角度。

图7 不同叶片角度下前舱速度分布

AGS 的叶片角度在-15°左右时基本和下格栅下边界和水箱下边界的角度一致，叶片对气流起到了很好的导流作用，从而使更多的气流流向水箱的方向，致使进气量达到最大化。

同时，从通过叶片的气流速度值来看（如图7中的黑框区域内速度云图所示），叶片在-15°时，气流通过叶片位置时有明显的加速现象。而其他角度对叶片的开度影响更大，开度减小致使通过AGS的气流量大大减小，最终导致通过水箱的冷却气流量急剧减小。

图8 为冷凝器入口从-45°到30°的速度分布云图，该车型冷凝器布置在CRFM 最前端，气流流过AGS 最先进入冷凝器。

由图8 中的速度云图可知，在冷凝器进风面上，中间和下端区域的流量速度分布变化非常明显，速度较大区域呈现出先增加后减小的区域。其中，在叶片角度为-15°时，高速区域面积达到最大，和进气量的变化趋势完全一致，说明通过调节叶片角度主要改变的是中、下端区域的进气量分布。

图8 不同角度叶片下水箱入口速度分布

通过改变AGS 叶片角度，对下格栅的气流起到引导作用，使更多的气流通过AGS 流向水箱方向，从而导致水箱入口下端区域的气流速度大大增加，因此，进气量相对其他几种方案显著增加。

4 结论

本文采用CFD 仿真法来研究汽车前舱的AGS叶片角度对前端进气量的影响。研究了在不同角度的叶片下，前舱冷却气流流量的变化，并对比了前舱的气流速度分布和水箱上的速度分布。研究发现：

（1）AGS 的叶片角度对前舱冷却气流的影响较大，叶片角度和气流流量呈现多项式曲线的关系。

（2）叶片角度并非水平状态下的最优，而应该根据格栅开口边界和水箱布置位置进行优化，本研究中的叶片角度为-15°时，进气流量最大。

（3）在某些AGS 叶片角度下，前舱进气流量会高于100%开度下的流量值，在AGS 叶片角度设计过程中应将该因素考虑在内。

（4）调整叶片角度到最佳位置对气流起到导流作用，可以使更多气流流向水箱，从而增加在AGS开启时流过水箱的气流流量。