整車冷卻模塊聚風結構設計研究

殷紅敏，楊棟，翁銳，翟曉紅

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車冷卻模塊聚風結構設計研究

殷紅敏，楊棟，翁銳，翟曉紅

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車冷卻系統的結構越來越趨向模塊化、緊湊化設計，在前端布置空間有限的情況下，為了提升冷卻系統的性能，無法僅僅提升風扇、散熱器或者冷卻水泵的工作能力來達到。作為空氣動力學的延伸應用，在不改變其他部件性能的情況下，從改善整車通風性能的角度出發，對整車機艙部件的設計進行約束，利用CFD手段，設計聚風結構，改善整車冷卻模塊的通風效果，從而提高整體性能；并且這一改善還可以降低整車的風阻，從而降低油耗，符合目前節能減排的設計趨勢。

冷卻系統；CFD；聚風結構；熱管理；風阻；降油耗

Abstract:The structure of the vehicle cooling system are becoming more and more modular, compact design, decorate in the frond-end under the condition of limited space, in order to improve the performance of the cooling system, cannot ascend only fan, radiator and cooling water pump working ability to achieve. As an extension of the aerodynamic applications,without changing performance under the condition of other parts, from the perspective of improving vehicle ventilation performance, with constraints on the design of the vehicle engine parts, using CFD method, design the wind structure,improve the ventilation effect of the vehicle cooling module, thus improve the overall performance; And this improvement can also reduce the wind resistance of the vehicle, thus reducing the fuel consumption, which is in line with the current design trend of energy conservation and emission reduction.

Keywords: Cooling system; CFD; Gather wind structure; Thermal management; Wind resistance; Fuel consumption reduction

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-75-04

引言

隨著CFD分析軟件功能的日漸強大，整車前端冷卻模塊結構設計的專業性越來越高，前端結構的設計不再僅僅局限于裝配冷卻系統、美觀等作用。新的前端結構設計要求從整車整車熱管理的角度進行考慮，合理的設計布置各部件的結構，保證可靠性的前提下，通過一些列的CFD分析對比，對整車冷卻模塊的通風性能進行優化，以達到最佳的進風效果。

從改善整車通風性能的角度出發，針對某 MPV車型開發過程中聚風結構的設計進行了一系列的設計研究，借助于一系列的CFD分析優化，在現有布置邊界不變的前提下，設計合理的聚風結構，改善整車冷卻系統的通風性能，從而提升整車冷卻效果。同時，在一定程度上改善整車氣流流向，降低風阻，改善了整車動力經濟性，降低油耗，契合當今節能減排的大的發展趨勢。

1 整車前端模塊的組成結構

一般來講，整車前端冷卻模塊的相關部件包括進氣格柵、前保險杠、FEM、防撞梁、冷凝器、散熱器、風扇、空氣動力學套件以及一系列相關的管路系統。其中進氣格柵、前保杠、FEM、防撞梁主要是作為主冷卻模塊的設計邊界存在，不僅僅起到裝配固定的作用，同時，還為主冷卻模塊提供進氣氣流，且于整車的冷卻性能強相關，所以，整車的造型設計不僅需要考慮美觀，同時還需要兼顧工程性能需求，在造型要求的邊界下，盡可能的保證進風需求。

1.1 進氣格柵開口面積

進氣格柵開口面積是與整車冷卻性能密切相關的結構參數，同時又對整車風阻系數有著重要影響，減小格柵開口面積有利于減小風阻系數，因此，需要找到二者兼顧的最優方案。

在造型階段，通過CFD仿真分析，確定進氣格柵的開口位置，進氣格柵進風口位置要同時考慮壓力分布，最好位于正壓區域位置。出風口的位置根據類似原理，要位于負壓區域位置，以提高進氣效率，如圖1所示，展示了一個典型的轎車外表面壓力分布的示意，車輛格柵的最佳開口位置應處在前端的正壓區位置；

圖1 典型轎車外表面壓力分布

按照正投影的方法，對進氣格柵開口面積進行計算。按照設計經驗，要求進風面積不低于30%（經過大量車型格柵測量調研后得出的一個經驗數值）；

結構設計階段，通過CFD仿真分析，對前端模塊的詳細布置結構進行優化，設計空氣動力學套件，如聚風結構等，在保證冷卻性能的前提下，盡可能降低整車風阻系數；

在試制和試驗驗證階段，通過風洞試驗和熱平衡試驗，確定格柵最終開口面積，保證整車氣動性能和熱平衡性能的最佳匹配。

1.2 冷卻模塊的布置方案

在總布置設計的過程中，應充分考慮冷卻模塊的布置，包括角度、位置以及氣流通道的設計。前端冷卻模塊的布置在總布置概念設計階段就應確定，以便于獲得整車熱平衡和氣動性能的最佳綜合性能。

冷卻效率達到期望值后，可以通過封堵部分進氣格柵，在不影響整車熱平衡性能的前提下，降低氣動阻力。

1.2.1 安裝角度

熱交換器如中冷器、冷凝器和散熱器應根據其前部氣流方向，保證其布置與氣流方向垂直，提高通過冷卻模塊的風量和冷卻性能。

1.2.2 安裝位置

前端冷卻模塊在布置的過程中，應盡量避開防撞梁等前端較大部件，避免造成對冷卻模塊進風的阻擋，影響進氣效率。

減小前保險杠和前防撞梁等對冷卻氣流的阻擋； 前防撞梁布置在保險杠車牌安裝區域內，有利于減小其對氣流的阻擋，提高冷卻效率；進氣格柵到前端冷卻模塊之間除必要的結構件（防撞梁、密封板外），不要有其他零部件阻擋；冷卻模塊中心應靠近主要進氣格柵（通常是下格柵，因為格柵下端開口進風效果要明顯好于上端開口）中心。

1.3 聚風結構

為了提高進氣效率，防止怠速回流等情況的發生，通常考慮通過在冷卻模塊四周到前進氣格柵之間增加聚風結構的方式，引導氣流有效通過冷卻模塊，改善發艙壓力，提升冷卻模塊的工作效率。

1.4 氣流出口

通常情況下，冷卻氣流出口位置應位于氣流壓力較低的車體底部，可通過風洞試驗或CFD仿真的手段，找到位于發動機艙底部的較低負壓區域。設計過程中，應避免出口位置存在正壓，否則將嚴重影響機艙熱平衡性能。氣流管理的核心在于氣流流經發艙后，能以最快的速度離開，不能出現氣流滯留的問題，因此，合理的設計導流結構非常重要。

2 某MPV車型聚風結構設計

2.1 問題提出

某 MPV車型在開發過程中，整車熱平衡性能不達標，但是因為車型已經基本開發到位（如圖2），前端冷卻模塊開發完成，已不允許在散熱器或者風扇的性能上進行提升。因此，提出從改善整車通風性能的角度出發，設計合理的聚風結構，提升冷卻模塊的進風量。

圖2 目前方案

2.2 現方案分析

利用STSR-CCM+CFD仿真分析軟件，建立整車CFD模型，計算通過冷卻模塊的進風量。

計算相關基本理論參見參考文獻7。

2.2.1 建模過程

幾何準備：將整車CAD模型導入STAR-CCM+軟件中，對整車模型按照系統級進行劃分，對幾何模型進行封閉及分塊處理，為下一步體網格生成、邊界設置及后處理做好準備，如圖3所示；

圖3 整車模型封閉劑分塊處理

生成網格：對模型進行包面處理并生成體網格，圖4所示；

圖4 整車模型生成體網格

參照行業設計經驗，計算域設置12m×20m ×60m，生成網格總數約3300萬。

設置邊界：將物理模型應用到邊界上，包括對空氣側/冷卻水側進行設置、給發熱部件設置溫度、對風扇進行設置等，如圖5所示；

圖5 邊界應用

求解計算：設置迭代計算的次數或計算中止的條件后開始計算；

圖6 計算結果

后處理：查看計算結果，當殘差曲線處于約10E-4時，且震蕩較小，表明計算區域收斂，系統趨于穩定，表明計算結束，保存計算文件，截取一系列典型截面，將分析結果以云圖的形式反映出來，并配以文字說明，如圖7所示。

注：如殘差曲線計算最后出現上翹，或者不收斂，結果發散，那么需要復盤網格模型質量，重新生成高質量的網格進行進行計算。

圖7 目前方案計算結果云圖

2.2.2 問題確認

通過整車CFD分析，可以看出在冷卻模塊的上下端面存在嚴重的漏風問題，進入格柵后的氣流由于下端無封堵，散熱器本身存在一定的阻尼作用，導致氣流多數向低壓區流動，實際通過散熱器的有效進風很少，導致通過冷卻模塊的進風量不足。

2.3 解決方案提出

因為前端模塊存在嚴重的漏風問題，因此考慮設計合理的聚風結構，保證進風效果。參照CFD分析流場結果，在冷卻模塊的四周均進行封堵聚風，解決方案如圖8所示；

圖8 解決方案

2.4 解決方案CFD分析

其余數模結構保持不變，整車CFD模型中增加上下左右聚風板，導入Part數據，重新生成網格，邊界及物理模型均保持不變，重新計算，計算結果如圖9所示；

圖9 解決方案計算結果云圖

通過分析可以確認，增加聚風板后，進風效果更好，通過前端模塊的進風量得到了明顯的提升，但是下聚風板的結構還需要進行優化，發艙速度矢量云圖顯示，目前的結構在導流板的下部存在一定的氣流滯留，影響了下部的進風，因此，需要將下導流板的結構按照氣流走向進行優化。

2.5 優化后解決方案CFD分析

圖10 優化后解決方案計算結果云圖

分析結果顯示，優化后的解決方案，氣流滯留問題得到解決，冷卻系統進風量較優化前有一定提升（參見表1）。

表1 目前方案及解決方案冷卻模塊風量對比

2.6 問題結論

通過數據對比可以看出，聚風結構可以有效的解決前端模塊的漏風，提升冷卻模塊的進風量；但是，聚風結構的設計不僅僅是簡單的封裝，需要考慮氣流的實際流動，最大限度的消除氣流回流、滯留等問題，其結構的最終確定需要經過系統的CFD分析優化，以保證最大進風效果。

3 結論

本文通過對整車前端冷卻模塊的邊界設計及布置進行闡述，參照以往的車型開發經驗及教訓，提出針對冷卻系統各部件設計的相關約束條件，為后續車型冷卻系統聚風結構的設計提供參考。

對于某 MPV車型在前端模塊聚風結構的設計，通過系統的CFD分析優化，最終找到最優的結構設計方案。在不改變現有冷卻模塊布置方案條件下，通過設計合理的聚風結構，最終達到冷卻模塊進風量的顯著提升。同時，設計聚風結構后，在一定程度上降低了整車的風阻系數，有利于整車降油耗。

[1] 大島龍一.構筑合理的通風系統,XLJ1-151951,2000.

[2] 汽車工程編輯委員會.汽車工程手冊·設計篇,人民交通出版社.2000,182-183.

[3] STAR-CCM+教程.

[4] STAR-CD user manual.

[5] 王福軍.計算流體動力學分析,[M]北京,清華大學出版社,2004.9.

[6] 陳懋章.粘性流體動力學基礎.[M]高等教育出版社.

[7] 谷正氣.汽車空氣動力學.[M]人民交通出版社.

[8] John D.Anderson, Computational Fluid Dynamics, The Basics with Applications.

The Design of Gather Wind Structure of the Vehicle Cooling Module

Yin Hongmin, Yang Dong, Weng Rui, Zhai Xiaohong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-75-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.027

殷紅敏（1983-），底盤設計技術經理/整車項目經理，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，主要從事整車熱管理技術研究、整車燃油系統（國VI）技術研究、整車項目開發等。