CFD仿真軟件在重卡護風罩設計中的應用

殷玉先

（北汽重型汽車有限公司，江蘇 常州 213000）

在重卡冷卻系統開發設計中，冷卻模塊護風罩的設計十分重要，不同的結構尺寸會使得通過散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速不同，平均風速越高，帶走的熱量越多，散熱器、中冷器和冷凝器展現的換熱能力越強。在以往重卡冷卻系統開發過程中，冷卻模塊護風罩往往憑經驗設計，很難確定所設計的護風罩是否合理。

近年來，隨著計算機技術的蓬勃發展，計算機流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）得到了廣泛的應用。CFD是在經典力學、數值計算方法和計算機技術的基礎上建立起來的新興學科。它是目前解決三維流動問題的重要手段，以往需要通過大量試驗得到的流動信息可以通過模擬計算獲得。與試驗數據相比較，計算結果的準確性和可靠性取得了令人滿意的結果。

本文以國內某重卡冷卻模塊護風罩為研究對象，利用計算流體學分析軟件CFD STAR CCM+，分別得到在扭矩點和功率點兩種工況下通過散熱器、中冷器、冷凝器芯體表面的平均風速，然后根據平均風速的仿真結果，選擇尺寸合適的護風罩。

1 整車、發動機、冷卻系統、護風罩的基本參數

1.整車基本參數

車速：24 km/h；前圍格柵通風率：19%。

2.發動機基本參數

功率點轉速：1 900 r/min；扭矩點轉速：1 100 r/min。

3.冷卻系統基本參數

冷卻系統基本參數如表1所示。

表1 冷卻系統基本參數

護風罩：護風罩端面相對于風扇斷面的尺寸保持不變，僅改變護風罩對風扇的遮擋比例，各種狀態下護風罩對風扇的遮擋圖片分別如圖1所示。圖1中，a中護風罩對風扇遮擋比例為20%；b中護風罩對風扇遮擋比例為40%；c中護風罩對風扇遮擋比例為60%；d中護風罩對風扇遮擋比例為80%；e中護風罩對風扇遮擋比例為100%。

圖1 各種狀態下護風罩對風扇的遮擋示意圖

2 冷卻系統和發動機艙的CFD模擬分析

2.1 幾何模型與計算網格的建立

本文應用三維計算機輔助設計軟件Catia建立冷卻系統和發動機艙的幾何模型，其中包括冷卻模塊（散熱器、中冷器、冷凝器）、風扇、發動機、進氣格柵等，整車模型如圖2所示。

圖2 整車模型

由于整車模型比較復雜，完全按照其真實實體建立模型比較困難，因此在保證不對模擬計算結果產生很大影響的前提下，對幾何模型進行一些簡單處理（簡化后的模型如圖3所示），具體 簡化方法是：（1）用等效通風率的前圍格柵模型替代現有的格柵數模；（2）去掉車輪，油箱、傳動軸等對流動影響較小的部件。

圖3 簡化后的幾何模型

網格是CFD模擬與分析的載體，網格的質量直接影響CFD的計算精度和計算效率。網格分為結構化和非結構化兩大類。結構化網格主要是六面體網格單元，非結構化網格包括四面體和五面體網格?？紤]到幾何模型比較復雜，本文應用六面體trimmer網格劃分方式，可以大大提高網格劃分質量和計算精度，同時應用棱柱體網格（prim）模擬風扇葉片的流動邊界層。計算模型的總網格數約為330萬，具體網格如圖4所示。

圖4 幾何模型劃分后的網格

2.2 模擬分析方法及邊界條件

本文采用三維計算分析軟件STAR CCM+對研究對象進行模擬分析，將標準K-Omega模型與多重坐標系模型結合，并將冷卻模塊（含散熱器、中冷器、冷凝器）設定為多孔介質，可較好地模擬風扇的工作狀態。同時為了提高計算精度，在風扇扇葉壁面附近用壁面函數法來描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等分布。計算機模型所取的邊界條件如表2所示。

表2 計算機模型所取的邊界條件

計算模擬過程采用穩態計算，16 G內存的計算機經過12個小時的計算，結果收斂。

2.3 CFD仿真計算結果

（1）當護風罩對風扇的遮擋比例為20%時，發動機扭矩點和功率點工況下流經散熱器、中冷器、冷凝器表面的平均風速如表3所示。

表3 流經散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速

（2）當護風罩對風扇的遮擋比例為40%時，發動機扭矩點和功率點工況下流經散熱器、中冷器、冷凝器表面的平均風速如表4所示。

表4 流經散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速

（3）當護風罩對風扇的遮擋比例為60%時，發動機扭矩點和功率點工況下流經散熱器、中冷器、冷凝器表面的平均風速如表5所示。

表5 流經散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速

（4）當護風罩對風扇的遮擋比例為80%時，發動機扭矩點和功率點工況下流經散熱器、中冷器、冷凝器表面的平均風速如表6所示。

表6 流經散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速

（5）當護風罩對風扇的遮擋比例為100%時，發動機扭矩點和功率點工況下流經散熱器、中冷器、冷凝器表面的平均風速如表7所示。

表7 流經散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速

2.4 CFD仿真結果分析

（1）在發動機扭矩點（風扇轉速1 201 r/min）工況下，護風罩對風扇的覆蓋比例與散熱器、中冷器、冷凝器芯體表面平均風速的關系曲線如圖5所示。

圖5 護風罩對風扇遮擋比例與冷卻模塊 平均風速的關系

從圖中可知，護風罩對風扇遮擋比例在20%～43%時，散熱器、中冷器、冷凝器芯體表面平均風速隨遮擋比例的增加而增加；護風罩對風扇遮擋比例在43%～100%時，散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速隨遮擋比例的增加而減小。

冷卻模塊的換熱量公式為

其中，代表熱量，為比熱容，為空氣密度，為冷卻模塊芯體正面積，為通過冷卻模塊芯體表面平均風速。

從式（1）中可以得知，冷卻模塊的換熱量與芯體表面風速成正比。即護風罩對風扇遮擋比例在20%～43%時，散熱器、中冷器、冷凝器的換熱量隨遮擋比例的增加而增加；護風罩對風扇遮擋比例在43%～100%時，散熱器、中冷器、冷凝器的換熱量隨遮擋比例的增加而減小。

（2）在發動機功率點（風扇轉速2 075 r/min）工況下，護風罩對風扇的覆蓋比例與散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速的關系曲線如圖6所示。

圖6 護風罩對風扇遮擋比例與冷卻模塊平均風速的關系

3 結論

（1）文章應用CFD軟件STAR CCM+對某重卡自卸車冷卻系統進行模擬計算，獲得了功率點和扭矩點工況下通過散熱器、中冷器和冷凝器芯體表面的平均風速。

（2）在發動機扭矩點（風扇轉速1 201 r/min）和功率點工況（風扇轉速2 075 r/min）下，護風罩對風扇遮擋比例在20%～43%時，散熱器、中冷器、冷凝器芯體表面平均風速隨遮擋比例的增加而增加；護風罩對風扇遮擋比例在43%～100%時，散熱器、中冷器、冷凝器表面平均風速隨遮擋比例的增加而減小。

（3）在發動機扭矩點（風扇轉速1 201 r/min）和功率點工況（風扇轉速2 075 r/min）下，護風罩對風扇遮擋比例在20%～43%時，散熱器、中冷器、冷凝器的換熱量隨遮擋比例的增加而增加；護風罩對風扇遮擋比例在43%～100%時，散熱器、中冷器、冷凝器的換熱量隨遮擋比例的增加而減小。

（4）從仿真分析結果看，CFD仿真軟件STAR CCM+可以量化護風罩對冷卻模塊表面平均風速的影響，能支持護風罩設計的正向開發，相對于早期的經驗設計，大大提高了設計效率。