前保格柵對冷卻模塊性能影響的仿真與試驗分析

黃 軼

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司動力總成集成部空調科， 上海 201804）

隨著近幾年汽車工業的迅猛發展， 各整車廠面臨越來越大的競爭壓力。 為了贏得市場， 各家紛紛推出新產品， 涉及外飾件改款的所謂小改款車型成為新產品推出的一種重要選擇。 然而， 無論是前保險杠、 前端格柵或是前照燈等零部件的修改， 都離不開對改款后的各項性能進行再次驗證。 傳統方法多是通過將原型車和改款車進行整車對比試驗， 但因試驗驗證方法周期長、 成本高， 故而無法縮短開發周期。

隨著計算機技術的發展， CFD技術被越來越多地應用到汽車設計中。 通過CFD模擬分析在各設計階段的介入， 可以及時驗證設計， 同時幫助優化設計方案， 縮短開發周期， 節約開發成本。 然而，CFD模擬在模型選擇和計算精度上仍不是非常成熟， 所以本文通過兩款不同格柵 （圖1） 冷卻模塊氣流狀態的模擬， 對比實際的整車試驗結果， 分析模擬與試驗結果的差異。

1 冷卻模塊簡介

冷卻模塊是用于冷卻發動機的各冷卻零部件的組合， 一般來說主要包括散熱器、 冷卻風扇和中冷器等。 因為其通常布置在發動機艙前段位置， 故常稱之為前端冷卻模塊。

2 仿真分析建模

2.1 基本理論

本文中前端冷卻模塊的氣流模擬選用Fluent求解器， Fluent包含所有的求解方程， 可以直接得到計算結果也可以進行后處理。 選用K-ε不可壓湍流模型進行穩態計算， 差分格式為二階迎風格式， 隱式解法， 殘差曲線判定精度為1.0e-6。 在求解初始化時， 將3個方向的初始速度設為0， 地面固定不動（模擬風洞試驗）。

2.2 建立模型

將CAD模型導入ANSA中進行幾何處理， 建立求解域。 計算域與網格劃分如圖2所示。 將在ANSA中生成的面網格導入TGrid生成體網格， 最后將生成的體網格讀入Fluent 中求解計算， 總網格數14000000， 節點數2942813。

2.3 邊界條件的設定

1） 計算域進口 速度進口邊界， 設定為13.89 m／s （相當于50 km／h車速）。

2） 計算域出口 壓力出口邊界。

3） 風扇模型 選用Fluent自帶風扇模型， 通過風扇試驗數據擬合二次曲線， 得出多項式系數。

4） 散熱器模型 多孔介質， 域內阻力系數由相關散熱器的試驗數據整理得出。

5） 流動介質 空氣溫度為25 ℃， 空氣密度為1.205 kg／m3。 車體、 風扇、 散熱器為流體區域。

3 仿真結果分析

圖3為車速50 km／h條件下， 兩款車的散熱器和冷卻風扇質量流量的比較結果。 由圖3可以得出，前端散熱器空氣質量流量的差異在8%以內， 冷卻風扇的差異在6%之內， 格柵1性能略好于格柵2。同時， 因為兩款格柵的上、 下部分的造型都有較大的不同， 所以流經冷卻模塊上、 下端面空氣的速度有比較明顯的差異， y=0.1截面上的速度矢量圖見圖4和圖5。

由速度矢量圖可以看出， 流經格柵1的空氣平均速度明顯高于格柵2， 且流經散熱器的平均速度的趨勢也大致相同。

4 試驗模型與結果

2011年7月12日， 在某風洞試驗室內進行兩款車的發動機冷卻試驗， 比較兩款格柵對冷卻性能的影響。 試驗工況為車速50km／h， 環境溫度38 ℃， 兩車除了前保格柵外沒有區別。 上水管溫度試驗結果如表1所示。

表1 上水管溫度試驗結果℃

由表1數據可知， 模擬7.2%坡度的試驗時， 在上水管水溫達到穩定的情況下， 格柵1的上水管溫度比格柵2低3.2℃； 減小一定負載， 模擬4%坡度后，格柵1上水管溫度比格柵2低4.4 ℃， 兩者相差不大。

雖然實際試驗和CFD模擬計算都不可避免地會產生一定的誤差， 但是對于類似前保格柵這類部分零部件改動的驗證性試驗， CFD可以代替實際試驗給出指導意見。

5 結論

在50 km／h車速下， 通過CFD仿真可知： 流經格柵1散熱器的空氣質量流量比格柵2高5%～7%， 試驗結果顯示格柵1上水管溫度比格柵2高3.2～4.4 ℃， 兩者趨勢吻合， 差異幅度也接近。

CFD模擬前端冷卻模塊流場氣流狀態與試驗結果吻合， 在項目前期概念設計階段和小改型項目時， 可以代替性能對標試驗， 減少整車開發費用，對整車開發具有指導意義。

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