前艙引流板對溫度場的改善分析

魏淳

前艙引流板對溫度場的改善分析

魏淳

（摩登汽車有限公司，上海 200040）

重點介紹了前艙引流板對溫度場改善的分析過程。針對某項目設計過程中，前艙溫度場不達標的情況，提出增加前艙引流板的建議，通過CFD（Computational Fluid Dynamics）分析對比，增加前艙引流板后，前艙的流場及各主要零部件的溫度情況改善明顯，使進入前艙的氣流利用率最大化，解決了整車開發過程中，前艙溫度場難以達標的問題。

引流板；CFD；溫度場；有限元分析

1 概述

汽車前艙是一個半封閉的空間，艙內包括了冷卻系統、動力系統及蓄電池、電器盒等對溫度存在限值的元件，且空間結構布置非常緊湊。隨著對汽車動力性、排放性能、經濟性以及可靠性等方面要求的日益提高，汽車的前艙內元件變得越來越模塊化，布置也越來越緊湊，這給前艙散熱帶來了更大的挑戰，使汽車的散熱問題成為國內外研究者關注的焦點之一[1]。因此，在新車型開發的過程中，可考慮采用CFD數值仿真的方法，進行發動機艙散熱研究[2]。

由于前艙溫度太高，可能造成前艙的自燃。所以傳統汽車設計時為滿足散熱器的供風需求，將格柵開口加大，保證充足的進氣量通過格柵進入散熱器。但增大格柵開口將會增加整車風阻，大大降低經濟性，同時新能源汽車在汽車行業中的迅速崛起，使格柵開口“最小化”成為很多造型設計師的追求。

為了確保冷卻系統的散熱能力、整機的綜合熱平衡達到良好的效果，對客車風扇葉片到散熱器芯子的距離進行合理匹配試驗研究，結果發現：吸風式和吹風式風扇的葉片到水散熱器芯子地最佳距離分別為88～98 mm和78mm，而吸風式風扇的葉片與中冷器芯子地最佳距離為168mm[3]。文獻[4]提出對散熱器組的獨立研究；文獻[5]提出了對前艙輸入的研究；文獻[6]提出了主動格柵對氣動減阻和散熱需求的研究等。

本文通過CFD仿真軟件，分析了氣流通過格柵進入前艙后的流向，發現在格柵與散熱器之間存在較為嚴重的回流現象，還有很多氣體從散熱器四周流過，并未對散熱器的運作起到有效作用。為避免上述情況的出現，分析增加前艙引流板來調整進入格柵的氣體流向，得出最佳優化方案。

2 CFD仿真分析原理

CFD實質上是利用技術求解三大控制方程，三個控制方程的具體描述如下：

2.1 質量守恒定律

該定律可以描述為：單位時間內流體微元中質量的增加與同一時間間隔內流入該微元體的凈質量相等。按照這一規律，可以得出質量守恒方程（1）。

2.2 動量守恒方程

所有流體系統都必須遵守這一基本守恒定律。該定律在流體系統中可以定義為：微元體的動量對時間的變化率等于外界作用在微元上的各種力之和。根據這一定律，可以得到沿、、方向的三個單向流動量守恒方程（2）：

其中：-流體微元體上的壓力；τ、τ、τ——作用在微元體表面上的粘性應力的分量，由粘性作用產生；F、F、F——微元體上的體力，若體力只有重力且沿軸豎直向上，則F=0, F=0, F=-ρg。

2.3 能量守恒方程

含有熱交換的流動系統必須遵守能量守恒定律。在此系統中，能量守恒定律可定義為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。

其中：C—比熱容；—溫度；—流體的傳熱系數；S—流體內熱源及因黏性作用流體機械能轉為熱能的部分，通常將S叫做黏性耗散項。

3 前艙溫度場控制的重要性

前艙布置了冷卻系統、動力系統及蓄電池、電器盒等眾多零部件，在高溫環境下無法長時間運作，甚至引發自燃。所以需要對前艙進行溫度管理，控制溫度上限，確保在各種惡劣的工況下各零部件的溫度能夠在其限值之內。針對某新能源汽車開發項目所選用的零部件，其相應的溫度限值為：冷卻風扇護風罩的極限溫度為80°；冷卻風扇電機的極限溫度為80°；蓄電池的極限溫度為55°；電機的極限溫度為90°；電機線束及電器盒的極限溫度為80°。

3.1 格柵進氣量的計算

空氣通過前格柵進入CRFM（condenser，radiator，fan power train cooling module），然后進入前艙，這是降低前艙各零部件的最主要途徑。所以，通過CRFM的空氣量是保證前艙溫度場的重要因素。

本文通過CFD仿真軟件，模擬分析進入格柵的空氣流動。通過計算得到進入CRFM的空氣質量流量。

4 CFD仿真分析

4.1 引流板的兩個狀態

空氣從格柵進入前艙后向CRFM及其周邊同步流動，在CRFM周邊形成渦流甚至是回流，降低空氣的有效利用率。為了減輕上述渦流、回流的現象，提高空氣有效利用率，本文提出增加一引流板裝置，使氣體不流向CRFM兩側，來改善渦流和回流現象。該引流板裝置通過六個安裝點分別于前防撞梁、前保、水箱上橫梁相連，見圖1。

1-CRFM 2-引流板（左右兩片）

4.2 整車模型

對整車及其所處的環境進行有限元模型搭建。由于整車模型過于復雜，在盡可能保證模型特征細節及計算精度的前提下，為了減少計算網格的數量，節約計算時間，本次分析對模型進行了一定程度的簡化處理。如省略了部分緊固件、管線路等。由于本次分析只涉及到前艙內流場及整車外流場的耦合計算，所以將駕駛艙內的內飾全部省略，并將汽車駕駛艙完全封閉，避免空氣滲入對計算結果造成影響。

對計算域的搭建。整個計算域模型為長：65m，寬：16m，高：12m，的密閉矩形空間。經過網格搭接，整車模型共計3760w網格，如圖2。

圖2 整車計算域

4.3 邊界條件的設定

對模型邊界條件進行定義：

1）環境溫度為40℃；

2）車輪為旋轉壁面；

3）風扇為MRF，2000rpm；

4）對整個CRFM系統進行設定：

a）定義冷凝器的慣性阻力系數為178.23kg/m4；粘性阻力系數為683.87kg/m3·s；

b）定義散熱器的慣性阻力系數為163.65 kg/ m4；粘性阻力系數為658.19 kg/m3·s；

c）定義風扇的轉動方向，使模型中空氣從車外往車內流動。定義域中的空氣流速，分別為：60km/h、90km/h、110km/h。

模擬三個不同流速的空氣的流動情況。

4.4 仿真結果分析

對于前艙溫度場的評估，本次仿真分析主要監測了冷卻風扇護風罩、冷卻風扇電機、蓄電池、電機、電機線束、電器盒等零件的溫度值，并對流進冷卻模塊的空氣進行流場分析。

分析的兩個模型為，整車狀態未添加引流板和整車狀態添加全引流板。分析的工況為：a）空氣流速60km/h；b）空氣流速90km/h；c）空氣流速110km/h，兩個模型總計6個工況。

如圖3為未加引流板60km/h狀態下工況。機艙車輛中心對稱平面Y=0m處和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面溫度分布云圖，由圖得知，機艙內的平均溫度在110℃左右。

表1 各零部件溫度

所檢測的零部件溫度情況如表1，其中冷卻風扇護風罩、雷區風扇電機、蓄電池、電機線束、電器盒的溫度均超出了極限溫度，其中蓄電池的溫度為110℃高出極限溫度55℃。

圖4為未加引流板60km/h狀態下工況。機艙車輛中心對稱平面Y=0m和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面速度分布圖。從圖中可看出：空氣從格柵進入前艙后，并未全部進入散熱模塊，在冷凝器四周存在較為明顯的漏風現象，同時形成了回流。這個狀態對前艙的流場非常不利。

圖4 機艙截面速度分布圖

如圖5，為整車狀態添加引流板模型， 60km/h工況。機艙車輛中心對稱平面Y=0m和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面速度分布圖。對比圖2，可發現：添加引流板后，在無引流板的情況下所產生的回流及漏風情況，如CRFM下端區域及CRFM兩側，得到了較為明顯的改善。

圖5 機艙截面速度分布圖

此時各零部件溫度情況得到了大幅的改善，如表2：

表2 各零部件溫度

監控通過冷凝器的空氣質量流量結果如表3：

表3 空氣質量（kg/s）

對比空氣流速相同空氣流速狀態下，可明顯地發現有引流板的狀態下，通過冷凝器及散熱器的空氣質量流量比無引流板的狀態要大；將相同空氣流速狀態下增加全引流板的空氣質量減去無引流板狀態的空氣質量，得到δ空氣質量流量如表4：

表4 δ空氣質量流量（kg/s）

對比δ空氣質量流量，可直觀地發現：當空氣流速也就是汽車的行駛速度越快時，增加引流板對冷卻模塊的進氣量改善越大。

5 結論

本文針對前艙溫度場在汽車設計過程中無法達標的普遍現象，通過CFD仿真分析、結構設計，從引導氣體的流向等方面，對比不同氣體流速情況下前艙內各零部件的溫度情況，來模擬汽車不同時速下的工況，前艙各零部件的溫度情況。結果表明，在格柵與CRFM之間增加引流板，可以有效地減少進入前艙的空氣回流、漏風、湍流現象，大大地提升了氣體的利用率。該文章對新車型或是改型車的前艙溫度場改善具有重要的參考意義。

[1] Fortunato Francesco, Damiano Fulvio, Matteo Luigi Di, etal. Under -hood Cooling Simulation for Development of New Vehicles[C]. SAEPaper2005-01-2046.

[2] AndraR,KumarK,HyptopoulosE.The Effect of Boundary and Geo -metry Simplification on the Numerical Simulation of Front-end Cooling[C].SAEPaper980395.

[3] 李毅.電子風扇與散熱器距離匹配地試驗研究[J].汽車工程,2009.

[4] 趙駱偉,張毅,俞小莉.車輛散熱器組散熱特性研究[J].機電工程, 2006(8).

[5] 蔣光福.汽車發動機艙散熱特性研究[J].汽車科技,2006(5).

[6] 賈青,陳佳萍,楊志剛.基于氣動減阻和散熱需求的主動格柵優化設計[J].同濟大學學報(自然科學版), 2020(02).

Research on instrument cluster design for vehicles based on ergonomics

Wei Chun

( Modern Automobile Co., Ltd., Shanghai 200040 )

Introduces the analysis process of the temperature field improvement by the front cabin deflector. In view of the situation that the temperature field of the front cabin does not meet the standard during the design of a project, the proposal to increase the front cabin deflector is proposed. Through the CFD（Computational Fluid Dynamics）analysis and comparison, after adding the front cabin deflector, the temperature field of the front cabin and the temperature of the main components have improved significantly, and the utilization rate of airflow into the front cabin is maximized, which solves the problem that the temperature field of the front cabin is difficult to reach the standard during the development of the entire vehicle.

Deflector; CFD; Temperature field; Finite element analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.039

U467

A

1671-7988(2021)03-129-04

U467

A

1671-7988(2021)03-129-04

魏淳，就職于摩登汽車有限公司。