基于CFD的摩托車流場(chǎng)分析及優(yōu)化

余千英， 黃 燦， 譚禮斌， 唐 琳， 何 丹

(隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心， 重慶 400039)

隨著中國(guó)摩托車設(shè)計(jì)能力和制造水平的不斷提升，以及“禁摩”政策的逐漸解除，摩托車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。隨著摩托車休閑娛樂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高性能的大排量摩托車將更受消費(fèi)者青睞。城市摩托車、大排量摩托車的需求逐年增多，更多的企業(yè)開始加大對(duì)大排量摩托車的研發(fā)，推出更多的車型。摩托車作為休旅文化載體和出行代步工具之一，其駕駛舒適性也成為衡量摩托車性能的重要參數(shù)。而摩托車駕駛性能與整車散熱性密切相關(guān)，整車駕駛過程中如果發(fā)動(dòng)機(jī)散熱不好會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，產(chǎn)生高排放、低功率，以及零部件局部熱害等問題。近年來，隨著CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，搭建仿真分析模型來預(yù)判產(chǎn)品性能及進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化研究成為行業(yè)趨勢(shì)[1]。束奇等[2]采用Solidworks中flow simulation插件對(duì)摩托車氣流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為摩托車造型優(yōu)化和改良提供了理論指導(dǎo)。Jang等[3]采用CFD技術(shù)研究了摩托車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中熱流體流動(dòng)狀態(tài)，為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化思路。孫術(shù)娟等[4]采用CFD技術(shù)對(duì)客室流場(chǎng)分布、微風(fēng)速、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行仿真，為工程設(shè)計(jì)合理性評(píng)估提供了仿真支撐。陸潤(rùn)明等[5]采用STAR-CCM+流體分析軟件對(duì)車尾后部流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行了模擬分析，為改善尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)化方案。程亮等[6]采用Fluent軟件對(duì)工程車輛用散熱器流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，并依據(jù)流場(chǎng)特性進(jìn)行了針對(duì)性地翅片翼型優(yōu)化，改善了散熱性能。由此可見，CFD仿真技術(shù)已是研究整車及其主要附屬零部件流場(chǎng)特性的重要手段[7-14]。

為評(píng)估摩托車前通風(fēng)板設(shè)計(jì)的合理性及發(fā)動(dòng)機(jī)本體的散熱效果，現(xiàn)以摩托車為研究對(duì)象，采用 CFD 分析軟件 STAR-CCM+對(duì)整車速度場(chǎng)及發(fā)動(dòng)機(jī)主體溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并依據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性地結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的前通風(fēng)板改進(jìn)方案，提升摩托車整車散熱性能。以期為摩托車整車零部件設(shè)計(jì)及開發(fā)提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。

1 整車CFD分析

1.1 幾何模型

摩托車整車三維模型如圖1所示。整車底盤臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室模型根據(jù)實(shí)際測(cè)量按照1∶1比例繪制。

圖1 整車幾何模型

1.2 物理模型

采用STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格對(duì)整車外流場(chǎng)流體域模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，多面體網(wǎng)格和薄壁層網(wǎng)格對(duì)關(guān)鍵固體部件(發(fā)動(dòng)機(jī)主體)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整車流體域總體網(wǎng)格量約為2 100萬，固體域總體網(wǎng)格約為300萬。整車外流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格模型及整車網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

CFD是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。數(shù)值模擬計(jì)算采用有限體積法將整車計(jì)算域劃分成離散的控制體網(wǎng)格，在每個(gè)控制體網(wǎng)格上對(duì)控制方程進(jìn)行求解。

STAR-CCM+流場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程，通過對(duì)控制方程的迭代求解即可獲得相應(yīng)的流場(chǎng)模擬信息[15-16]。

風(fēng)機(jī)出風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，將其值設(shè)置為最高車速105 km/h；風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為壓力出口，壓力值為0。環(huán)境溫度為25 ℃。其余邊界都為壁面邊界，壁面采用Two-layer All Y+ Wall Treatment模型,湍流計(jì)算模型選擇為k-ε兩方程湍流模型，壓力、速度耦合采用SIMPLE算法，采用壓力基求解器(Pressure-Based)求解。固體熱邊界采用文獻(xiàn)[17]中的方法及參數(shù)進(jìn)行區(qū)域劃分及溫度、換熱系數(shù)的設(shè)置。

2 CFD計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

樣車在整車底盤臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱平衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共測(cè)3組狀態(tài)，包括完整覆蓋件狀態(tài)、去掉通風(fēng)板狀態(tài)、同時(shí)去掉通風(fēng)板和連接板狀態(tài)。測(cè)試工況為最高車速105 km/h。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行約30 min，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和油溫趨于穩(wěn)定，測(cè)定缸頭火花塞墊片溫度。表1中實(shí)驗(yàn)與結(jié)果值對(duì)比可看出，完整覆蓋件狀態(tài)下缸溫最高，去掉通風(fēng)板和連接板，對(duì)降低缸溫有益。火花塞墊片溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬的火花塞截面溫度值變化趨勢(shì)一致，表明搭建的計(jì)算模型是有效的。缸頭表面溫度為缸頭所有面的平均溫度，后續(xù)用于評(píng)估缸頭整體的溫度變化情況。

表1 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比 單位：℃

圖3所示為完整覆蓋件狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果。由圖3的速度云圖和速度矢量圖可以明顯看出，冷卻風(fēng)受前通風(fēng)板的影響，被分成上、下兩股，一股經(jīng)過通風(fēng)板和下側(cè)連接板之間向下流動(dòng)吹向箱體表面，有利于箱體部件的散熱冷卻；一股風(fēng)經(jīng)通風(fēng)格柵導(dǎo)向上方，并未得到有效利用。從流場(chǎng)結(jié)果來看，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭區(qū)域沒有被冷卻風(fēng)直接吹到，造成缸頭區(qū)域溫度高，散熱不佳。原狀態(tài)的通風(fēng)板示意圖如圖4所示。通風(fēng)格柵具有向上導(dǎo)風(fēng)的趨勢(shì)，風(fēng)導(dǎo)向朝上是造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭區(qū)域散熱不佳的主要原因。因此，依據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種橫格柵且格柵條向下導(dǎo)風(fēng)的通風(fēng)板，目的是為了讓更多的風(fēng)導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭區(qū)域，保證高溫區(qū)域的冷卻。圖5所示為初步設(shè)計(jì)的通風(fēng)板方案示意圖。

圖3 完整覆蓋件的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖4 原狀態(tài)的通風(fēng)板三維模型

圖5 改進(jìn)的通風(fēng)板方案三維模型

圖6所示為兩種前通風(fēng)板方案下發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布云圖。從圖中可以看出，原通風(fēng)板狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布均勻性較差，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭區(qū)域沒有被冷卻風(fēng)直接吹到，造成缸頭部分區(qū)域因冷卻不足易產(chǎn)生局部高溫區(qū)域，不利于散熱。通風(fēng)板優(yōu)化方案下發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布較好，較多的冷卻風(fēng)可以流向缸頭，散熱明顯提升。表2為整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可明顯地看出前通風(fēng)板優(yōu)化方案下發(fā)動(dòng)機(jī)表面平均風(fēng)速分布及表面溫度分布均好于原通風(fēng)板。由此可見，前通風(fēng)板向下導(dǎo)風(fēng)的方案設(shè)計(jì)可以改善高溫區(qū)域的散熱性能。后續(xù)可在此方案上做細(xì)致優(yōu)化，提升發(fā)動(dòng)機(jī)主體的散熱效果。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)表面風(fēng)速分布

表2 整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.2 詳細(xì)優(yōu)化

基于流場(chǎng)分析結(jié)果，在前通風(fēng)板初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行前通風(fēng)板結(jié)構(gòu)的詳細(xì)優(yōu)化，主要研究前進(jìn)風(fēng)格柵進(jìn)風(fēng)角度獲取較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。圖7所示為前通風(fēng)板格柵角度示意圖。通過與整車安裝匹配的考慮，選取了前通風(fēng)板格柵與水平線夾角-12°、-6°、0°、4.8°、6.8°、8.8°、12.8°、16°、20° 9個(gè)角度研究整車流場(chǎng)的分布情況。表3為整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。圖8為整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。由表3和圖8可以看出，前通風(fēng)板格柵角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主體風(fēng)速分布及溫度分布的影響顯著。前通風(fēng)板的格柵角度為6.8°時(shí)，缸頭表面平均風(fēng)速最佳，且缸頭表面平均溫度最低。隨著格柵角度的繼續(xù)增加，缸頭表面風(fēng)速降低且平均溫度升高，不利于散熱。因此，前通風(fēng)板格柵角度可設(shè)計(jì)在6.8°附近，后續(xù)的工藝化設(shè)計(jì)方案可基于該角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 前通風(fēng)板格柵角度示意圖

圖8 整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.3 工藝化設(shè)計(jì)方案及驗(yàn)證

基于前通風(fēng)板格柵角度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)合工藝、外觀、強(qiáng)度等因素，形成前通風(fēng)板的工藝化設(shè)計(jì)，如圖9所示。 表4為前通風(fēng)板格柵角度6.8°狀態(tài)和前通風(fēng)板工藝化設(shè)計(jì)方案的整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。由表4可以看出，對(duì)格柵進(jìn)行了工藝化設(shè)計(jì)后，由于減小了通風(fēng)面積，進(jìn)風(fēng)阻力略有提升，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)主體表面平均風(fēng)速略低于前通風(fēng)板格柵角度6.8°方案。結(jié)合表2分析，工藝化設(shè)計(jì)方案相較于原通風(fēng)板結(jié)構(gòu)，整體散熱提升明顯，缸頭平均溫度降低約35 ℃。

圖9 前通風(fēng)板工藝化設(shè)計(jì)方案

表4 整車流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖10為原狀態(tài)、工藝化方案的發(fā)動(dòng)機(jī)表面風(fēng)速分布對(duì)比。從圖中可以看出，工藝化方案下缸頭表面速度分布更加均勻，更多冷卻風(fēng)吹向缸頭進(jìn)行冷卻，從而缸頭平均溫度降低。圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭平均溫度分布對(duì)比。明顯地看出前通風(fēng)板工藝化方案下的缸頭表面平均溫度較低。表明通過詳細(xì)優(yōu)化后再工藝化的工藝化設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到較好的散熱提升效果。利用整車底盤臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱平衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試工況為最高車速105 km/h，驗(yàn)證得到缸溫在230 ℃左右，與模擬獲得的222 ℃相差不大，表明優(yōu)化效果明顯。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)表面風(fēng)速分布

圖11 缸頭平均溫度分布

3 結(jié)論

采用CFD仿真方法對(duì)摩托車整車流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并通過底盤臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真得到的缸頭火花塞溫度和箱體底部油底殼溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致，誤差較小。摩托車行駛過程中來流通過前通風(fēng)板的導(dǎo)流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭和箱體進(jìn)行冷卻，通過對(duì)整車原狀態(tài)的流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)缸頭幾乎沒有冷卻風(fēng)流經(jīng)，不利于缸頭散熱，前通風(fēng)板需要優(yōu)化。通過調(diào)整前通風(fēng)板結(jié)構(gòu)，改變冷卻風(fēng)路徑后，缸頭表面風(fēng)速分布變好，散熱得到改善。并進(jìn)一步在前通風(fēng)板初步改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加詳細(xì)優(yōu)化研究，結(jié)果表明前通風(fēng)板的格柵角度為6.8°時(shí)，缸頭表面平均風(fēng)速最佳，且缸頭表面平均溫度最低。基于6.8°格柵角度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)前通風(fēng)板進(jìn)行了工藝化方案設(shè)計(jì)，經(jīng)過仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工藝化設(shè)計(jì)方案相較于原通風(fēng)板結(jié)構(gòu)，整體散熱效果改善明顯，缸頭平均溫度降低約35 ℃。

總體上來看，優(yōu)化后前通風(fēng)板后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭得到了更好的冷卻，缸溫更加合理，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求。后續(xù)還可嘗試搭建通風(fēng)板格柵的參數(shù)化建模與數(shù)值模擬結(jié)合的“參數(shù)化-模擬-優(yōu)化”集成化優(yōu)化分析，研究通風(fēng)板進(jìn)風(fēng)格柵的角度、形狀及面積，進(jìn)行參數(shù)化尋優(yōu)，從而獲得最佳的冷卻散熱方案。