黄 轶

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司动力总成集成部空调科， 上海 201804）

随着近几年汽车工业的迅猛发展， 各整车厂面临越来越大的竞争压力。 为了赢得市场， 各家纷纷推出新产品， 涉及外饰件改款的所谓小改款车型成为新产品推出的一种重要选择。 然而， 无论是前保险杠、 前端格栅或是前照灯等零部件的修改， 都离不开对改款后的各项性能进行再次验证。 传统方法多是通过将原型车和改款车进行整车对比试验， 但因试验验证方法周期长、 成本高， 故而无法缩短开发周期。

随着计算机技术的发展， CFD技术被越来越多地应用到汽车设计中。 通过CFD模拟分析在各设计阶段的介入， 可以及时验证设计， 同时帮助优化设计方案， 缩短开发周期， 节约开发成本。 然而，CFD模拟在模型选择和计算精度上仍不是非常成熟， 所以本文通过两款不同格栅 （图1） 冷却模块气流状态的模拟， 对比实际的整车试验结果， 分析模拟与试验结果的差异。

1 冷却模块简介

冷却模块是用于冷却发动机的各冷却零部件的组合， 一般来说主要包括散热器、 冷却风扇和中冷器等。 因为其通常布置在发动机舱前段位置， 故常称之为前端冷却模块。

2 仿真分析建模

2.1 基本理论

本文中前端冷却模块的气流模拟选用Fluent求解器， Fluent包含所有的求解方程， 可以直接得到计算结果也可以进行后处理。 选用K-ε不可压湍流模型进行稳态计算， 差分格式为二阶迎风格式， 隐式解法， 残差曲线判定精度为1.0e-6。 在求解初始化时， 将3个方向的初始速度设为0， 地面固定不动（模拟风洞试验）。

2.2 建立模型

将CAD模型导入ANSA中进行几何处理， 建立求解域。 计算域与网格划分如图2所示。 将在ANSA中生成的面网格导入TGrid生成体网格， 最后将生成的体网格读入Fluent 中求解计算， 总网格数14000000， 节点数2942813。

2.3 边界条件的设定

1） 计算域进口 速度进口边界， 设定为13.89 m／s （相当于50 km／h车速）。

2） 计算域出口 压力出口边界。

3） 风扇模型 选用Fluent自带风扇模型， 通过风扇试验数据拟合二次曲线， 得出多项式系数。

4） 散热器模型 多孔介质， 域内阻力系数由相关散热器的试验数据整理得出。

5） 流动介质 空气温度为25 ℃， 空气密度为1.205 kg／m3。 车体、 风扇、 散热器为流体区域。

3 仿真结果分析

图3为车速50 km／h条件下， 两款车的散热器和冷却风扇质量流量的比较结果。 由图3可以得出，前端散热器空气质量流量的差异在8%以内， 冷却风扇的差异在6%之内， 格栅1性能略好于格栅2。同时， 因为两款格栅的上、 下部分的造型都有较大的不同， 所以流经冷却模块上、 下端面空气的速度有比较明显的差异， y=0.1截面上的速度矢量图见图4和图5。

由速度矢量图可以看出， 流经格栅1的空气平均速度明显高于格栅2， 且流经散热器的平均速度的趋势也大致相同。

4 试验模型与结果

2011年7月12日， 在某风洞试验室内进行两款车的发动机冷却试验， 比较两款格栅对冷却性能的影响。 试验工况为车速50km／h， 环境温度38 ℃， 两车除了前保格栅外没有区别。 上水管温度试验结果如表1所示。

表1 上水管温度试验结果℃

由表1数据可知， 模拟7.2%坡度的试验时， 在上水管水温达到稳定的情况下， 格栅1的上水管温度比格栅2低3.2℃； 减小一定负载， 模拟4%坡度后，格栅1上水管温度比格栅2低4.4 ℃， 两者相差不大。

虽然实际试验和CFD模拟计算都不可避免地会产生一定的误差， 但是对于类似前保格栅这类部分零部件改动的验证性试验， CFD可以代替实际试验给出指导意见。

5 结论

在50 km／h车速下， 通过CFD仿真可知： 流经格栅1散热器的空气质量流量比格栅2高5%～7%， 试验结果显示格栅1上水管温度比格栅2高3.2～4.4 ℃， 两者趋势吻合， 差异幅度也接近。

CFD模拟前端冷却模块流场气流状态与试验结果吻合， 在项目前期概念设计阶段和小改型项目时， 可以代替性能对标试验， 减少整车开发费用，对整车开发具有指导意义。

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