汽車發動機艙密封性CFD研究

王弘揚，徐磊，張雪艷

摘要：汽車發動機艙流場密封性直接影響整車散熱性能，并間接影響動力性和續駛里程。采用CFD手段，對某SUV車型的前艙流場進行分析，發現散熱器與周邊零件存在空隙導致密封性下降。針對該問題，設計泡沫密封件對空隙進行封堵，通過仿真發現，最大車速工況下進風利用率提升了3.8%，怠速工況下熱空氣回流占比降低了5%，驗證了措施的有效性。

關鍵詞：發動機艙；密封性；數值模擬

冷卻系統的散熱器和空調系統的冷凝器布置在整車發動機艙前端，以格柵進入的空氣為介質散熱，因此前機艙的空氣流場將直接影響上述系統的性能，更高的密封性可減少冷空氣泄露和熱空氣回流[1，2]，也可減少整車空氣阻力 [3]。張坤等[4]通過CFD手段驗證了減少熱空氣回流后對發動機艙散熱的改善情況。朱晴等[5]研究了不同密封結構對進氣利用率的影響。Mathur[6]通過風洞試驗研究了12種車型的前端流場，發現均存在不同程度的密封設計缺陷。

本研究通過CFD手段對前艙流場進行分析，識別泄漏點并提出解決方案，優化了某SUV車型的的前艙密封性。

物理模型與網格

1.幾何結構

為準確分析發動機艙內空氣側流場狀態，使用1：1尺寸搭建整車模型，保留機艙內全部零部件結構，對于本研究最關注的前格柵到冷卻模塊間的空氣流域，盡量不做簡化處理，并注意保留各零件間的空隙。對于冷卻模塊后的發動機變速器等零件，因對所關注流域影響有限且結構過于復雜，僅保留外部輪廓。風洞尺寸為：30 000mm×5 000mm×6 500mm。

2.網格劃分

因整車零部件多且結構復雜，因此采用自下而上的非結構化網格生成策略，如圖1所示，分別生成各零件的三角形面網格后，拼接成整車面網格，后基于面網格尺寸生成整車體網格。其中，格柵、散熱器、導風件等重要零件基本單元為4mm，車身表面基本單元為12mm。整車面網格數量為700萬個，體網格數量為4300萬個。

數學模型

1.控制方程

本研究中，因空氣流速較低，簡化為不可壓縮流體。散熱器翅片區域通過多孔介質模型簡化，流體所占體積份額由多孔介質區內每個網格的孔隙率表征。

質量守恒方程

（） v 0 （1）

式中 ρ ——密度；

v

——流速。

動量守恒方程

（）vv p ? g Sv （2）

式中p——靜壓；

Sv——廣義源項；

——應力張量。

（3）

式中 μ——黏度；

I——單位張量。

對于散熱器芯體的翅片結構，阻力由一個附加阻

力源項表示，由粘性損失項與慣性損失項組成。

S Ci

v =- v vv

1

2 （4）

式中 1

α

——黏性阻力系數；

Ci——慣性阻力系數。

2.湍流模型

根據發動機艙內空氣的流動特性，本研究采用可實現k-ε 湍流模型，相比于標準k-ε 模型，可更好地模擬漩流等流動狀態[7]。

3.邊界條件

為更好地分析前艙的冷空氣泄漏和熱空氣回流狀態，分別針對最大車速工況和怠速工況進行仿真，邊界條件見表1。

模型中包括冷凝器、低溫散熱器和高溫散熱器三個多孔介質區，通過試驗獲得各散熱器的壓降損失與迎面風速的擬合曲線，如圖2所示。

通過設置空氣通過扇葉位置的壓力變化，模擬風扇對流場的影響，壓降與風速的關系通過試驗測得后擬合曲線，如圖3所示。對于最大車速工況，風扇為零功率狀態；怠速工況，風扇為最大功率狀態。

結果與討論

1.密封優化前流場分析

為定量評價前艙密封性，定義兩個參數：進風利用率和熱空氣回流占比。在最大車速工況下，格柵進入的風量大于通過冷卻模塊風量，以進風利用率評價密封性，等于通過主散熱器風量與格柵進入風量的比值，此值越高說明密封性越好。在怠速工況下，格柵進入的風量小于通過冷卻模塊風量，以熱空氣回流占比評價密封性，等于通過主散熱器風量減去格柵風量后，與主散熱器風量的比值，此值越低說明密封性越好。

圖4所示是冷卻模塊位置結構，冷卻模塊固定在前端框架上，四個導風件連接前格柵與冷卻模塊構成一個風道。但在散熱器的四個角位置，因裝配工藝，存在一個無法由導風件密封的空隙，因此可能存在泄漏點。

圖5和圖6所示是在密封優化前的最大車速工況和怠速工況下速度矢量圖。在最大車速工況，可以看到導風件將從格柵進入的大部分空氣導入了冷卻模塊中。但在冷卻模塊與前端框架之間的空隙位置，可以觀察到存在明顯的泄漏。在怠速工況，風扇以最大功率工作，可以看到通過冷卻模塊的空氣大部分是由風扇通過格柵吸入的冷空氣，但也有部分空氣是從泄漏點吸入的機艙內熱空氣。

根據對速度矢量圖的分析，此狀態的密封設計存在缺陷，需要采取措施進行優化以改善整車的散熱性能。

2.密封優化后流場分析

為解決冷卻模塊與前端框架間的泄漏點問題，根據周邊零件的結構設計了密封塊，如圖7所示。密封塊材質為泡沫，通過過盈配合使其封住周邊空隙。

圖8和圖9所示是增加密封塊后的最大車速工況和怠速工況下速度矢量圖。可以看到，在兩種工況下，泄漏點均被密封件有效地封堵了，有效減少了最大車速工況下的冷空氣泄漏和怠速工況的熱空氣回流。

表2是增加密封塊前后的關鍵位置風量對比。對于最大車速工況，在增加密封件后，由于前艙密封性的提升，車外空氣進入發動機艙的阻力增加，所以格柵進風量下降。但由于泄漏量的減小，通過主散熱器的風量提升，進風利用率提升了3.8%。

對于怠速工況，密封性提升后，熱空氣由風扇吸入冷卻模塊的阻力變大，因此通過主散熱器的風量降低，但由于減少的風量來自艙內熱空氣，實際上對冷卻性能有所優化，且由于密封性的提升，從格柵吸入的冷空氣風量提升，熱空氣回流占比降低了5%。

結語

使用CFD手段對某SUV車型前艙流場進行模擬，通過結構檢查和速度矢量圖判斷密封性問題后，通過泡沫密封件對其進行了密封。密封前后的關鍵位置風量變化顯示密封措施有效。

參考文獻：

[1] 胡遠忠，劉傳波.微型汽車冷卻系統進風效率優化研究[J].機械設計與制造， 2014（6）：224-226.

[2] Pat idar A，Gupta U，Marathe N.Optimizat ion of Front-End Cooling Module for a Commercial Vehicle Using a CFD Approach[C].Symposium on International Automotive Technology， 2013， DOI：10.4271/2013-26-0044.

[3] Manna S， Kushwah Y S .Optimization of a Vehicle Under Hood Airflow Using 3D CFD Analysis[J].Sae Technical Papers， 2015.

[4] 張坤，王玉璋，楊小玉.應用CFD方法改善發動機艙散熱性能[J].汽車工程，2011，33（4）：314-317，368.

[5] 朱晴，陳群，張艷芳，等.某SUV車型發動機艙CFD仿真計算與優化[J].汽車技術，2016（1）：1-5.

[6] Mathur G D.Performance Enhancement of Mobile Air Conditioning System With Improved Air Management for Front End[C]Sae World Congress & Exhibition，2005.

[7] Kucuktopcu E C B .Evaluating the influence of turbulence models used in computational fluid dynamics for the prediction of airflows inside poultry houses[J].Biosystems Engineering，2019，183.