基于CFD的某輕客中冷器性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，吳昌慶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CFD的某輕客中冷器性能三維、一維耦合分析

劉聰聰，胡杰，吳昌慶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用商用三維計算流體力學(CFD)軟件和一維仿真軟件相結合，對某型車機艙內外流場進行模擬分析，得到中冷器周圍流場特性，并對流場進行優化，提升通過中冷器的風量。然后通過一維軟件對中冷器在整車上的性能進行分析并與實驗數據進行對比，結果表明，分析結果與實驗結果吻合度較高。

CFD；機艙內外流場；中冷器三維；一維耦合

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-130-03

前言

隨著汽車工業己經發展到比較完善的程度，由于非再生能源的緊缺、環境污染的日益嚴重以及人們生活水平的提高，人們越來越關注汽車尾氣污染等排放問題，不再僅僅滿足于汽車動力性能和燃油經濟性能的提高，同時國家對汽車排放標準的要求也越來越嚴格，發動機排放性能已經成為汽車設計中一個重要指標。增壓中冷系統不僅可以提高發動機功率，還能夠顯著地降低污染物，對于改善和優化發動機的動力性、經濟性和排放性能具有重要的意義。

目前，大多數對中冷器性能的研究主要集中在提高中冷器本體性能，如李志剛對中冷器單體性能進行了優化設計和匹配研究[1]；崔洪江、史雙佶、劉俊杰等對對增壓空氣側阻力性能和空氣散熱量進行了數值分析[2]。

試驗和數值模擬（CFD）是研究中冷器性能的主要手段。數值模擬相比于試驗，其成本較低。隨著計算機硬件技術的發展，數值模擬計算精度不斷提高，完全可以滿足工程需求，在車型開發前期，方案選取時，能發揮重要作用。本文先采用數值模擬的方式對中冷器在整車上的性能進行研究分析，并提出相關優化方案，使中冷器性能在整車上滿足其使用要求，然后進行實車實驗驗證。

數值模擬CFD方法是汽車外部復雜流場的主要研究方法之一。求解雷諾平均NS方程是當前數值計算的主要方法，需補充湍流模型對方程進行封閉。湍流模型對于數值模擬汽車外流場的精度具有決定性影響。研究表明選用RNG kε湍流模型的效果較好，這種模型通過修正湍流粘度考慮了平均流動中的旋轉流動情況，本文即選用RNG k-ε湍流模型[3-7]。

1 基本方程和湍流模型

汽車車速一般遠低于聲速，因而汽車周圍流場可以看作是三維不可壓縮流場，由于其外形復雜容易引起分離，所以應按湍流處理。

其控制方程如下：

（1）連續方程

（2）運動方程

在RNG k-ε模型中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現小尺度的影響，而使這些小尺度有系統的從控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程，與標準k-ε模型非常相似。

湍流動能k方程：

湍動耗散率ε方程：

其中，

2 一維三維耦合流程

圖1 一維三維耦合流程

先對整車機艙內外流場進行分析。得到整車上中冷器周圍流場分布和通過中冷器的風量→一維中冷器性能分析→優化三維流場，提升中冷器風量→優化后中冷器性能分析。

3 計算域與邊界條件

應用CFD方法進行數值模擬需要確定計算域的大小，整除流場數值模擬的計算域外輪廓為一個長方體形狀，汽車位于長方體中的某個位置，用來模擬汽車風洞試驗段或者道路試驗情況。根據汽車外流場的特點、計算經驗和計算成本，可選擇計算域大小為：入口距車輛前端3倍車長，出口距車輛后端6倍車長，總高度為4倍車高，總寬度為7倍車寬。

計算工況為：60km/h爬坡工況和130km/h高速工況。湍流強度0.5%；出口壓力為p=0（相對于大氣壓）；考慮到地面效應對汽車底部的氣流的影響，設置地面速度與來流大小方向相同；車身表面為固壁無滑移條件，其余流場壁面采用滑移條件；輪胎采用旋轉壁面；中冷器、冷凝器、散熱器采用多孔介質模型；風扇采用MRF模型。

4 仿真結果與分析

4.1 三維流場計算分析與優化

該車型中冷器與冷凝器、散熱器采用上下布置形式。中冷器冷側進氣主要依靠下格柵，而且中冷器周圍已設計有導風圈，因此下格柵進氣量的多少直接影響到中冷器冷側進氣量，從而影響中冷器性能。

圖2為原始模型分析結果。從圖中可以看到，前方來流流經下格柵上方前保時，受前保的阻擋，部分氣流向上流入上格柵，部分氣流向下流動，由于下格柵下方比較靠后而下格柵上方比較靠前，導致被前保阻擋而向下流動的氣流很少一部分可以通過下格柵進入機艙通過中冷器，通過中冷器冷側的進氣量少，導致中冷器換熱性能差，最終將不能滿足中冷器在整車上的性能要求。

圖2 原始模型分析結果

圖3 優化示意圖

根據原始模型分析結果結合中冷器在整車上的布置形式，對前保進行優化，將前保下唇（下格柵下方）前移40mm，如圖3所示。

圖4為優化后分析結果。與圖2原始模型分析結果對比可以看到，優化后，下格柵進氣量明顯增加，這也意味著通過中冷器的流量將明顯增加。

圖4 優化后分析結果

圖5為優化前后中冷器表面風速分布對比。從圖中可以看到，不同工況下，優化后，中冷器表面風速均明顯增加。

圖5 優化前后中冷器表面風速對比

表1為不同工況下，優化前后通過中冷器風量對比，從表中數據可以看到，V=60km/h、V=130km/h工況下，通過中冷器的風量分別增加了265.2%和117.6%。

表1 優化前后中冷器風量對比

4.2 一維中冷器性能分析

根據整車中冷器性能要求，需滿足中冷器熱側出風溫度≤環境溫度+25℃。

圖6為中冷器性能分析原理圖。中冷器熱側風量570kg/h，溫度180℃。中冷器冷側采用三維計算出的風量，環境溫度40℃。也就是說熱側出風溫度≤65℃時，滿足該中冷器在整車上的適用需求。

表2為優化前后分析結果與實驗結果對比，從表中數據可以看到，分析結果與實驗結果吻合。

圖6 中冷器性能分析原理圖

表2 優化前后中冷器熱側出風溫度與實驗對比

5 總結

（1）本文采用CFD技術對整車上的中冷器周圍氣流流動狀態進行了模擬，并提出了優化措施，有效提高了中冷器冷側進風量；

（2）采用一維、三維耦合的方式對中冷器在整車上的表現進行分析，并與實驗數據進行對比，吻合度較高；可以滿足工程需求；

（3）采用CFD技術，大大縮短了研發周期，節省了大量的開發經費。

[1] 李志剛.基于CFD技術的柴油機中冷器的優化設計與匹配研究[D].天津大學, 2007.

[2] 崔洪江,史雙佶,劉俊杰,李明海. DF_(4C)型機車中冷器CFD性能仿真分析[J].內燃機,2011,(04):13-16+22+51.

[3] Hucho W H. Aerodynamics of Road Vechicles. 1987.

[4] S N Singh, LRai, P Puri, A Bhatnagar. Effect of moving surface on the aerodynamic drag of road vehicles. J. Automobile Engineering 2005.

[5] Masaru KOIKE, Tsunehisa NAGAYOSHI, Naoki HAMAMOTO. Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators. MITSUBISI MOTORS technical review 2004 No.16 .

[6] 谷正氣主編. 汽車空氣動力學. 北京：人民交通出版社[M],2005.

[7] 谷正氣,李學武,何憶斌. 汽車減阻新方法[J]. 汽車工程,2008,(05): 441-443+448.

The 1D and 3D coupling analysis on inter-cooler of van

Liu Congcong, Hu Jie, Wu Changqing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

The flow field in engine room and around inter-cooler is simulated by using 3D CFD software. Then the performance of inter-cooler is simulated by using 1D simulated software. By optimizing the airflow around inter-cooler and engine room, the air flow rate through inter-cooler and its performance are improved. The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.

Computational fluid dynamics (CFD); flow field in engine room; 1D and 3D coupling

U467

A

1671-7988 (2017)15-130-03

劉聰聰（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.048