商用車冷卻系統低噪聲優化設計＊

陸增俊 唐榮江， 陳志松 馮哲 張成

（1.東風柳州汽車有限公司，柳州 545005；2.桂林電子科技大學，桂林 541500）

1 前言

隨著人們對商用車動力性要求的逐漸提高，使得發動機功率不斷增加，同時，高溫部件（如散熱器、中冷器、發動機機體、排氣歧管及渦輪增壓器等）的影響導致整個發動機艙散熱條件進一步惡化[1]。為提高發動機艙散熱效率，多數廠商采取在商用車中安裝大功率冷卻風扇，但這間接導致整車噪聲偏高，影響駕駛舒適性。因此如何在提高車輛散熱性能的同時又降低發動機艙噪聲是亟待解決的問題。

與傳統設計手段相比，CFD技術可使溫度、流場的傳遞擴散過程可視化，且能快速找到影響整車散熱性能的關鍵因素。目前國內外研究者已利用CFD技術進行了大量研究，如，Anders Jonson[2]通過CFD軟件對車輛內外流場進行了分析，對該車型的冷卻系統與零件分布進行優化；劉西俠教授[3]通過風洞試驗與CFD仿真結合的方法對坦克艙內零部件合理分布進行了研究，找到了最優零件布置方案，提高了進氣空氣流量。

2 測試分析

某款重型商用車在高溫、高速工況下存在駕駛室噪聲偏高與散熱器出口水溫偏高的問題，為找到問題根源，對該車進行了頻譜聲源識別與熱平衡試驗。

2.1 噪聲源識別

該車在高溫、高速行駛工況下駕駛員耳旁噪聲較大，通過斷開風扇與皮帶輪連接后，駕駛員耳旁噪聲降低4.3 dB，可判斷風扇為主噪聲源。通常風扇噪聲主要由旋轉噪聲（窄帶噪聲）和渦流噪聲（寬帶噪聲）組成[4]。旋轉噪聲主要由風扇葉片周期性切割空氣引起，其計算式為：

式中，i為風扇諧波次數；n為發動機轉速；ηfan為風扇轉速比；zfan為風扇葉片數。

已知該車在高溫、高速工況下行駛時ηfan=1.22、n=1 900 r/min、zfan=11，則由式（1）計算得風扇旋轉噪聲的一、二階噪聲頻率分別為425 Hz和850 Hz。

圖1為風扇關閉前、后駕駛員右耳處1/3倍頻圖，由圖1可看出，駕駛員耳旁的主噪聲頻率集中在200～315 Hz，并不在旋轉噪聲（425 Hz、850 Hz）頻率范圍內，因此可判斷風扇噪聲主要為渦流噪聲。

圖1 風扇關閉前、后駕駛員右耳外1/3倍頻圖

2.2 風量測試

風扇旋轉時使周圍空氣產生渦流，由于粘滯力作用這些渦流又會分裂成一系列小渦流。渦流會使空氣發生擾動形成壓力波動，從而激發噪聲[5]，同時渦流也使得風扇吸風阻力增大、風量減小。

林區郁閉度低主要是指該區域中的林木郁閉度低于0.7的人工林或郁閉度低于0.6的天然林，管理人員也要分情況落實森林撫育管理工作[3]。如果郁閉度較低，幼齡木生長易受到其他植物的抑制，但情況較好的林區，管理人員需要重點調節幼齡木與其他植物的營養，幫助幼齡木獲取更多的生長營養元素，幫助其快速成長。具體可通過伐除其他植株，移栽生長密集的幼苗來實現。

由圖2可知，冷卻系統進風量較低時氣動阻力較高，當風扇轉速為1 700 r/min時，發動機散熱阻力與風扇性能曲線在風量為4.9 kg/s和阻力為1 080 Pa處耦合；當風扇轉速為2 300 r/min時，發動機散熱阻力與風扇性能曲線在風量為3.8 kg/s和阻力為600 Pa處耦合。發動機散熱艙散熱器阻力與風扇性能曲線相交于風扇喘振區，初步判斷為風扇導出的部分氣流形成渦流，使得冷卻系統進風量下降，造成耦合點較為靠前。

圖2 冷卻系統阻力曲線與風扇性能曲線嚙合圖

2.3 熱平衡測試

風扇產生多余渦流會造成冷卻系統進風量減少，將會對散熱性能產生一定影響，因此對該車進行熱平衡試驗以判斷散熱能力影響范圍。圖3為該車熱平衡試驗結果，由圖3可看出，在環境溫度為30℃時，發動機出水溫度已達100.2℃，出水口溫度偏高。

3 數值仿真

為確定該車風扇產生渦流的原因，通過CFD數值仿真對風扇流場特性進行了研究。

3.1 基本控制方程

發動機艙內溫度變化較大，當溫度為40℃≤T≤120℃時，艙內空氣的比熱容Cp及導熱系數λ與溫度關系為：

采用多重參考系模型（MRF）模擬風扇；換熱器簡化為多孔介質區域并添加熱源項來模擬，選用k-ε湍流模型處理機艙模型，各基本控制方程如下。

質量守恒方程為：

動量守恒方程為：

能量守恒方程為：

湍流動能中k方程為：

湍流動能耗散方程為：

式中，v為平均速度；vi為平均速度分量；xi為坐標分量；K為流體傳熱系數；ST為流體內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化為熱能的部分；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；μeff為湍流有效黏性系數；ρ為空氣密度；Γkeff為湍流動能有效擴散系數；Γεeff為湍動能黏性耗散有效擴散系數[6]。

3.2 物理模型

在保證反映發動機艙內真實流動特性的前提下，對該車發動機艙內部進行了適當簡化，只保留冷卻系統(包括中冷器、冷凝器和散熱器)、風扇、發動機、變速器、離合器、副車架及發動機艙內附件，發動機艙CFD仿真簡化模型見圖4。

圖4 發動機艙CFD仿真簡化模型

3.3 計算區域網格劃分

該車外流場區域如圖5所示，區域入口距車前端為4倍車長，區域出口距車尾為7倍車長，總寬度為5倍車寬，總高度為6倍車長。將發動機艙模型導入CFD軟件，采用四面體網格對計算區域進行劃分，共約2 400萬個網格；對車身附件進行局部加密處理以提高計算精度，最小網格尺寸為5 mm[6]。

圖5 計算區域

3.4 仿真參數設置

結合試驗數據，將進口風速設為85 km/h，湍流強度設為5%，環境溫度設為30℃，出口相對壓力為零，出口湍流強度與進口一致。中冷器和散熱器設為多孔介質，各阻力系數根據試驗數據計算得出并設定為體積熱源。風扇采用MRF隱式算法，轉速為1 900 r/min。

4 CFD仿真分析

4.1 原車狀態仿真分析

圖6為原車護風罩位置及CFD風速矢量圖。由圖6a可看出，護風罩邊緣過長，導致風扇露出長度只有風扇軸向長度的1/3。由圖6b可看出，由于護風罩邊緣過長，使得風扇上部出風急劇向上流動，造成局部壓力損失大。同時由于風扇葉尖超出護風罩拐點伸入護風罩內且又過于靠近水箱，導致產生了軸向和徑向氣流，兩個方向的氣流相互干擾產生明顯的渦流擾動，渦流損失大。同時擾動的氣流還會影響散熱器表面風速分布的均勻性（圖6b），影響散熱器的換熱效率。

圖6 原車護風罩位置及CFD風速矢量圖

風扇附近風向急劇發生改變或有明顯的渦流擾動會增加冷卻系統阻力[7]，導致風量變小，且較大的冷卻系統阻力還會造成原連續流動的氣流在葉道中產生脫離形成氣流團，進而產生周期性震蕩的渦流噪聲，因此必須對護風罩進行優化設計，以解決散熱及噪聲問題[8]。

4.2 優化方案

根據CFD分析可知，護風罩邊緣長度對氣流軌跡有較大影響，因此采取縮短護風罩邊緣的優化方案，即將護風罩邊緣到冷卻風扇邊緣的距離從45 mm增加導90 mm，如圖7所示。

圖7 優化前、后護風罩結構示意

4.3 護風罩優化分析

圖8為優化后護風罩與風扇相對位置及CFD風速矢量圖。由圖8可看出，由于護風罩的護風環端面遠離發動機，風扇露出長度達到2/3，使得氣流易于向四周平緩擴散，降低了局部壓力損失。又由于優化后風扇葉尖與護風罩拐點平齊，抑制了徑向氣流的產生，避免了與軸向氣流的干擾，罩內渦流擾動消失。

圖8 優化后護風罩與風扇位置及CFD風速矢量圖

圖9為護風罩優化前、后散熱器風速分布云圖，由圖9可看出，由于渦流擾動的消失使風速分布更加均勻，散熱器進風量由3.12 kg/s增加到了3.68 kg/s，增幅達18.3%。

圖9 護風罩結構優化前、后風速分布云圖

4.3 實車驗證測試

圖10為護風罩優化后熱平衡測試曲線，由圖10可看出，在環境溫度為29.5℃時，散熱器出水口溫度為83.4℃，相對于優化前提升了16.8℃，整體滿足散熱需求。

圖10 護風罩優化后熱平衡測試曲線

在車速為85 km/h工況下，護風罩優化前、后駕駛員右耳處噪聲1/3倍頻程如圖11所示。由圖11可看出，整體聲壓級降低1.7 dB（A），200～315 Hz的風扇寬頻渦流噪聲消失，也再次證明此渦流噪聲是由護風罩設計不良引起的。

圖11 護風罩優化前、后1/3倍頻圖

5 結束語

通過頻譜分析方法判斷出某重型商用車在高溫、高速行駛工況下駕駛室內主要噪聲源為冷卻風扇寬頻渦流噪聲，并且根據風扇性能曲線與車輛熱平衡試驗數據得出渦流造成散熱器阻力偏高、散熱性能下降等問題。采用CFD分析法對發動機艙內流場進行數值分析，得出護風罩邊緣過長導致風扇導出氣流形成渦流團，基于此提出了護風罩優化設計方案。試驗結果表明，優化后風扇導出氣流渦流減少，散熱器進風量由3.12 kg/s增加到3.68 kg/s，駕駛室噪聲降低1.7 dB（A）。

[1]董立偉.基于內流的汽車氣動性能研究與分析[D].湖南：湖南工業大學,2013.

[2]李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]蘇曉芳,楊林強,陳圓明,等.發動機冷卻風扇的降噪研究與優化[J].汽車技術,2011（9）：24-27.

[4]梁興雨.內燃機噪聲控制技術及聲輻射預測研究(碩士學位論文)[D].天津：天津大學,2006.

[5]U.S Environmental Protection Agency.Draft User’s Guide to Part5:A Program for Calculating Particle Emissions from Motor Vehicles[R].U.S Environmental Protection Agency,1995.

[6]劉海,李洪亮,武一民,等.乘用車用柴油機噪聲聲品質預測技術［J］.汽車技術,2016(11):13－15.

[7]李林,林強,陳建超,等.基于STAR-CCM+的某轎車減阻優化研究［J］.汽車技術,2016，(11):4－8.

[8]陳漢軍,程麗娟,馮祖軍,等.汽車換擋性能測量系統研究［J］.汽車技術,2016(12):41－44.