導(dǎo)風(fēng)板形狀對進風(fēng)量的影響趨勢

殷農(nóng)民,王森,田文毅

(浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司汽車工程研究院，浙江杭州 310018)

0 引言

汽車?yán)鋮s模塊性能的影響因素很多，造型、布置、冷卻模塊部件本身的性能都會直接影響冷卻模塊的性能。而密封和引流導(dǎo)風(fēng)作為后期優(yōu)化和提升的方案已被主流主機廠采用。在冷卻模塊前端安裝導(dǎo)風(fēng)板是最簡易可行的方案。怠速和低速行駛時，導(dǎo)風(fēng)板主要起到密封、阻擋熱回流的作用。中速行駛時導(dǎo)風(fēng)板引流的作用非常明顯，對冷卻模塊性能影響非常大。而高速行駛時，由于相對運動原理，冷卻模塊前的進風(fēng)速度極快，冷卻進風(fēng)量明顯增大，此時導(dǎo)風(fēng)封板的作用相對減弱。60 km/h爬坡工況是國內(nèi)主流廠家公認(rèn)的嚴(yán)苛工況，因此選取60 km/h行駛工況，對不同形狀導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)生的進風(fēng)量和流場變化進行分析和對比，找出影響趨勢。

1 邊界條件

1.1 相關(guān)邊界信息

此次分析在某在研車型上開展。在安裝導(dǎo)風(fēng)板的位置，冷卻模塊距離進風(fēng)格柵100 mm，選取60 km/h行駛工況。相關(guān)零部件的邊界尺寸見表1。

表1 相關(guān)零部件的邊界尺寸 mm

為了減少影響進風(fēng)量的變量，采用理想狀態(tài)進行分析，即忽略進風(fēng)格柵風(fēng)阻、忽略冷卻模塊風(fēng)阻、忽略冷卻模塊后排風(fēng)阻力。

1.2 導(dǎo)風(fēng)板方案

由于導(dǎo)風(fēng)板形狀的方案多，為簡化描述，導(dǎo)風(fēng)板方案是以線條形式的局部放大簡圖來表述導(dǎo)風(fēng)板斷面形狀。放大圖選取位置見圖1。圖中A為導(dǎo)風(fēng)板與冷卻模塊夾角。

圖1 導(dǎo)風(fēng)板斷面簡圖選取位置

對于最常見的直板形導(dǎo)風(fēng)板，為確定設(shè)計角度對風(fēng)量的影響趨勢，從0°到90°之間，每隔15°變化分析一次進風(fēng)量和流場變化。7種角度的直板形導(dǎo)風(fēng)板方案示意圖見圖2。

圖2 直板形導(dǎo)風(fēng)板方案

從示意圖可以明顯地看到：導(dǎo)風(fēng)板與冷卻模塊的設(shè)計夾角A取值變化時，導(dǎo)風(fēng)板入口位置形成的棱邊尖銳程度呈現(xiàn)先正向減小、后反向增加的變化趨勢；導(dǎo)風(fēng)板出口位置的棱邊尖銳程度始終呈現(xiàn)增加的趨勢。尖銳的棱邊會擾亂氣流，形成漩渦或亂流影響進風(fēng)量，因此可以初步判斷，進風(fēng)量會呈現(xiàn)類似拋物線的變化趨勢。

2 趨勢分析

利用7種設(shè)計角度的導(dǎo)風(fēng)板引起的進風(fēng)量數(shù)據(jù)生成趨勢曲線，曲線呈現(xiàn)近似拋物線趨勢。隨著角度的逐漸變化，導(dǎo)風(fēng)板出口位置風(fēng)量先增大后減小。從直板形導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)量變化趨勢曲線(圖3)可以看出：約25°夾角時風(fēng)量出現(xiàn)最大值。

圖3 直板形導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)量變化趨勢曲線

從流場圖也很容易看出：在角A較小或較大時，在導(dǎo)風(fēng)板入口或出口位置都會產(chǎn)生風(fēng)速低于1 m/s的漩渦區(qū)域，進而影響到冷卻風(fēng)量。7種直板形導(dǎo)風(fēng)板流場圖見表2。

表2 7種直板形導(dǎo)風(fēng)板流場

在不同車速下，變化趨勢曲線最大值對應(yīng)的橫坐標(biāo)會出現(xiàn)一定的變化。車速較低時，導(dǎo)風(fēng)板主要作用是阻擋熱回流，棱邊對低速氣流的擾動影響較小。車輛高速行駛時，導(dǎo)風(fēng)板出口位置風(fēng)量將明顯增加，體現(xiàn)在變化趨勢曲線上就是：最大值位置在橫坐標(biāo)出現(xiàn)偏移的同時，變化趨勢曲線將整體向縱坐標(biāo)正方向偏移。25°位置對應(yīng)的風(fēng)量雖然不是最大值，但風(fēng)量也會增加。因此對于直板形導(dǎo)風(fēng)板，建議選取15°

3 優(yōu)化方向探討

為了進一步優(yōu)化直板形導(dǎo)風(fēng)板，以30°直板形導(dǎo)風(fēng)板為基礎(chǔ)，進行“凸”形和“凹”形的變形，形成異形導(dǎo)風(fēng)板。并以30°直板形導(dǎo)風(fēng)板的風(fēng)量結(jié)果為基礎(chǔ)對異形導(dǎo)風(fēng)板的進風(fēng)量進行比較，探討優(yōu)化方向。“凸”形導(dǎo)風(fēng)板方案和“凹”形導(dǎo)風(fēng)板方案見表3。

表3 “凸”形導(dǎo)風(fēng)板方案和“凹”形導(dǎo)風(fēng)板方案

“凸”形導(dǎo)風(fēng)板：

Ⅰ型：導(dǎo)風(fēng)板采用分段形式，減小入口位置棱邊尖銳程度；

Ⅱ型：導(dǎo)風(fēng)板采用圓弧過渡，進一步減小入口位置棱邊尖銳程度；

Ⅲ型：導(dǎo)風(fēng)板采用整體相切圓弧，同時消除入口、出口位置的棱邊。

“凹”形導(dǎo)風(fēng)板：

Ⅳ型：導(dǎo)風(fēng)板呈階梯狀內(nèi)凹，導(dǎo)風(fēng)板尖銳棱邊變多；

Ⅴ型：導(dǎo)風(fēng)板采用內(nèi)凹型圓弧，入口位置出口位置棱邊尖銳。

以30°直板形導(dǎo)風(fēng)板的風(fēng)量為基礎(chǔ)，利用柱狀圖對5種變形導(dǎo)風(fēng)板方案的風(fēng)量進行比較，見圖4。

圖4 5種變形導(dǎo)風(fēng)板方案的風(fēng)量對比

Ⅳ型、Ⅴ型導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)量明顯降低，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型導(dǎo)風(fēng)板風(fēng)量依次逐漸增加。風(fēng)量變化出現(xiàn)同直板形導(dǎo)風(fēng)封板類似的趨勢：棱邊越尖銳風(fēng)量越小，隨著棱邊尖銳程度的緩和直到消失，風(fēng)量逐漸增大。通過表3中的異形導(dǎo)風(fēng)板的流場圖，亦可以明顯地看到棱邊形成的低速漩渦區(qū)域。

4 結(jié)論

通過直板形導(dǎo)風(fēng)板的角度變化及變形方案的風(fēng)量變化趨勢、流場圖可以看到，導(dǎo)風(fēng)板棱邊的銳利程度直接影響風(fēng)量的變化。在導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計時可參照圖5，在空間結(jié)構(gòu)允許的條件下應(yīng)盡量滿足：

(1)避免采用表面急劇變化或凹陷的導(dǎo)風(fēng)板；

(2)直板形導(dǎo)風(fēng)板建議采用15°

(3)結(jié)構(gòu)允許時采用分段或圓弧等形式緩解導(dǎo)風(fēng)板入口、出口位置棱邊的尖銳程度。

圖5 導(dǎo)風(fēng)板建議方案