采用CFD-KULI耦合方法的主動格柵對汽車氣動阻力和散熱性能的影響研究

何丹懷，廖 斌，楊雅文，全鵬輝

(北汽銀翔汽車有限公司 研發一中心整車集成所， 重慶 401533)

采用CFD-KULI耦合方法的主動格柵對汽車氣動阻力和散熱性能的影響研究

何丹懷，廖 斌，楊雅文，全鵬輝

(北汽銀翔汽車有限公司 研發一中心整車集成所， 重慶 401533)

采用三維CFD技術和一維熱管理仿真軟件KULI進行耦合，對某跨界SUV車型主動格柵開閉2種狀態進行了空氣動力學和發動機冷卻系統的計算和分析，得到了整車外流場分布結果、發動機進出水溫度以及中冷器的進出氣溫度，并對冷卻系統的模擬值和發動機熱平衡試驗結果進行了對比，驗證了該仿真分析結果的精確性，為AGS的研究應用提供了理論和試驗依據。

AGS；空氣動力學；數值模擬；熱平衡

汽車的空氣動力學特性和發動機冷卻系統影響著整車運行的可靠性、動力性、經濟性以及排放性[1-5]。隨著國際油耗標準的逐漸統一以及國內相關政策在汽車尾氣對環境影響方面更加嚴格的限制，各汽車企業紛紛研發低油耗、技術先進的汽車部件，以達到降低油耗、滿足國內相關政策、提高國際競爭力的目的，整車空氣動力學特性研究顯得越來越重要[6-7]。

本文首先在某跨界SUV(運動型多用途汽車)車型的基礎版型上，增加主動格柵(AGS)，利用CFD技術分析在不同工況下整車的空氣動力學特性，研究AGS對整車風阻系數的影響，同時獲得整車在不同工況下前格柵處Cp值，并得到中冷器、冷凝器和散熱器的進氣流量。采用耦合一維熱分析軟件KULI進行AGS對發動機冷卻系統影響的分析。最后對冷卻系統的仿真結果和發動機熱平衡試驗結果進行了對比。結合供應商提供的各汽車企業計算AGS對氣動阻力系數影響結果以及本文分析的AGS對發動機冷卻系統的影響，較全面地評估了AGS在國內SUV車型中對氣動阻力系數和冷卻系統的影響。

1 CFD空氣動力學特性分析

1.1 基本控制方程

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

本文采用Standk-ε方程計算湍流。該方程要求的計算資源較低，同時又能保證計算結果的高準確性[8-10]。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

(6)

其中：Gk為平均速度梯度引起的湍動能的產生項；Gb為浮力引起的湍動能的產生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的影響；C1ε、C2ε、G3ε為經驗常數；Sk、Sε為用戶定義的源項。聯合求解上述方程，得到計算域的流場分布。

1.2 工況確定

本文計算了在低速工況下全開和高速工況下全閉時有無AGS對某SUV車型氣動阻力系數的影響。具體工況見表1。

表1 仿真模擬工況

計算工況代表了典型的AGS應用在整車上的工作策略。根據AGS供應廠商建議，還有一種開度為45°的工作狀態，但由于使用AGS的各車型中應用此工作狀態不多[9]，所以本文未對此進行計算分析對比。

1.3 模型建立和網格劃分

根據某SUV基礎車型的CATIA數據模型建立流體計算域，并根據相應的計算氣動阻力系數的流程和方法建立合適的幾何模型。圖1為AGS全閉狀態模型。圖2為AGS全開狀態模型。圖3為AGS整車安裝模型。首先對計算域進行面網格的劃分，其次在Star-ccm+軟件中進行體網格的生成，體網格采用Trimmer類型，并對速度梯度變化較大的區域進行網格局部加密以提高計算結果的精確性[10]。

圖1 AGS全閉狀態模型

圖2 AGS全開狀態模型

圖3 AGS整車安裝模型

1.4 CFD空氣動力學仿真結果分析

表2為各工況下整車投影面積、氣動阻力、氣動阻力系數計算對比值。研究表明：傳統的燃油車風阻系數可下降10%，油耗能降低3%。在高速狀態下無AGS的風阻系數值為0.369，在AGS全閉狀態下風阻系數值為0.353，表明AGS在全閉狀態下能有效降低整車風阻值，從而達到降低油耗的目的。

表2 AGS空氣動力學仿真結果

圖4為高速狀態下AGS全閉和無AGS 2種工況下的正面壓力云圖。圖5為高速狀態下AGS全閉和無AGS 2種工況下的縱截面速度云圖。圖6為高速狀態下AGS全閉和無AGS 2種工況下的冷凝器進口表面速度云圖。

圖4 工況1和2正面壓力云圖

圖5 工況1和2縱截面速度云圖

圖6 工況1和2冷凝器進口表面速度云圖

從圖4可以看出：AGS全閉狀態下格柵處正壓力明顯高于無AGS的工況，這主要是因為此時AGS全閉，部分冷卻空氣無法流入發動機艙。結合圖5和圖6可知：在高速AGS關閉的狀態下可明顯降低進入發動機艙內的冷卻風量和因湍流而產生的氣動阻力，從而達到降低整車風阻系數值的效果，但此時因進入發動機艙冷卻風量的減少會導致機艙散熱效果變差，需要對冷卻系統進行一維熱分析，驗證在AGS全閉狀態下發動機出水溫度是否超溫。

2 一維冷卻系統分析

由CFD三維分析可知，在高速AGS全閉狀態下發動機艙冷卻空氣進氣量降低了，因此需驗證在此工況下發動機出水溫度是否超溫，此工況是否影響到發動機的正常散熱[14]。

2.1 一維分析模型建立

首先建立冷卻系統水側循環，包括散熱器、中冷器和油冷器模塊。圖7為冷卻系統水側循環。其次建立冷卻系統空氣側循環，圖8為冷卻系統空氣側循環。

圖7 冷卻系統水側循環

圖8 冷卻系統空氣側循環

2.2 一維分析結果

由表3工況1和工況2冷卻系統一維分析結果可知：高速AGS全閉狀態下各冷卻模塊進出口溫度均在正常溫度范圍之內，不存在超溫現象。工況2比工況1的發動機出水溫度高5.2 ℃，發動機出水溫度在正常范圍之內，表明在高速工況下AGS全閉方案是可行的。

表3 工況1和工況2冷卻模塊進出口仿真溫度 ℃

3 試驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性，對AGS高速全閉狀態下在轉鼓臺架進行了整車熱平衡試驗。試驗環境溫度為40 ℃，光照強度為950 W/m2，車速為120 km/h。試驗前將車放置在試驗艙內4 h。圖9為本文研究車型在熱平衡實驗艙內進行試驗的情形。為了與仿真結果進行對比，在中冷器、油冷器、散熱器進出口均布置了溫度傳感器，每隔5 min記錄一次溫度讀數。將穩定后的溫度值作為試驗結果，見表4。對比試驗結果和仿真結果可以看出誤差在5%之內，表明了本文仿真結果的精確性。

圖9 整車熱平衡試驗

表4 工況1和工況2冷卻模塊進出口試驗溫度 ℃

4 結論

本文通過模擬仿真研究了AGS在全開和全閉狀態下對整車風阻系數的影響，同時研究了在高速AGS全閉狀態下對散熱系統的影響，并且通過整車熱平衡試驗驗證了仿真結果的準確性。研究結果表明：在高速AGS全閉狀態整車風阻系數降低了0.016，雖然此時進入發動機艙的冷卻空氣流量降低了，但通過KULI軟件進行的一維熱平衡分析表明：此時發動機的冷卻系統能力并沒有受到影響，發動機出水溫度在正常范圍內，一維仿真溫度與試驗溫度誤差在5%之內，表明本文模擬仿真結果是比較準確的。

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EffectofAGSBasedonCFD-KuliCouplingMethodonVehicleAerodynamicResistanceandHeatDissipation

HE Danhuai, LIAO Bin, YANG Yawen, QUAN Penghui

(Vehicle Integration Deparement of R&D Center,BAIC Yinxiang Automobile Co., Ltd., Chongqing 401533, China)

Three-dimensional CFD technology and one-dimensional thermal management simulation software KULI are used to calculate and analyze the aerodynamics and engine cooling system of a cross-boundary SUV model active grating (AGS). The results show that the simulation results of the cooling system are compared with the results of the thermal balance test of the engine, and the accuracy of the simulation results is verified. The results show that the simulation results of the simulation results are in good agreement with each other. This paper provides the theoretical and experimental basis for the research and application of AGS.

AGS; aerodynamics; numerical simulation; heat balance

2017-08-22

何丹懷(1986—)，女，重慶人，碩士，工程師，主要從事汽車空氣動力學方向的研究，E-mail：tingyuan27@126.com；通訊作者 廖斌(1989—)，男，重慶人，碩士，主要從事汽車熱管理研究，E-mail：tasklb@163.com。

何丹懷，廖斌，楊雅文，等.采用CFD-KULI耦合方法的主動格柵對汽車氣動阻力和散熱性能的影響研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(12):53-57.

formatHE Danhuai, LIAO Bin, YANG Yawen, et al.Effect of AGS Based on CFD-Kuli Coupling Method on Vehicle Aerodynamic Resistance and Heat Dissipation[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):53-57.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.009

U461.1

A

1674-8425(2017)12-0053-05

(責任編輯劉 舸)