潘樂(lè)燕*

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)公司，201804）

汽車(chē)前端冷卻模塊流場(chǎng)模擬與試驗(yàn)研究

潘樂(lè)燕*

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)公司，201804）

本文利用CFD分析與風(fēng)洞測(cè)試兩種手段對(duì)整車(chē)前端冷卻模塊氣流場(chǎng)進(jìn)行分析驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)4個(gè)車(chē)速即（20、50、90和110）km/h下的15個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流情況進(jìn)行分析得出，CFD分析與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)。本工作驗(yàn)證了CFD分析的準(zhǔn)確性，對(duì)于整車(chē)前端冷卻模塊流場(chǎng)的考察完全可以用CFD模擬代替試驗(yàn)，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

冷卻模塊 CFD模擬 風(fēng)洞試驗(yàn)

1 前言

隨著近年汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，整車(chē)廠(chǎng)面臨的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，如何盡快推出新產(chǎn)品縮短開(kāi)發(fā)周期已經(jīng)成為贏(yíng)得市場(chǎng)的關(guān)鍵因素，CFD技術(shù)的出現(xiàn)使得這種快速開(kāi)發(fā)成為可能。近幾十年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用到了汽車(chē)設(shè)計(jì)中，通過(guò)在各設(shè)計(jì)階段的CFD模擬分析的介入，可以及時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，同時(shí)幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。目前CFD技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，但是與項(xiàng)目的參與程度低，支持項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的可信度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文通過(guò)對(duì)某款車(chē)型在4個(gè)不同車(chē)速下（20km/h、50km/h、90km/h和175km/h）進(jìn)行三維整車(chē)前端流場(chǎng)分析，同時(shí)結(jié)合整車(chē)風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，分析比較了模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的異同，由此得出模擬計(jì)算可以很好的用于造型驗(yàn)證與改型，代替試驗(yàn)，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

2 三維計(jì)算模型

2.1 基本理論

本文中整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流模擬選用Fluent求解器，F(xiàn)luent軟件已十分成熟而且應(yīng)用廣泛，包含所有的求解方程，可以直接得到計(jì)算結(jié)果也可以進(jìn)行后處理。選用K- 不可壓湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，差分格式為二階迎風(fēng)格式，隱式解法，殘差曲線(xiàn)判定精度為1.0e-6。在求解初始化時(shí)，將三個(gè)方向的初始速度設(shè)為零。

2.2 建立模型

將整車(chē)CAD模型導(dǎo)入ANSA中進(jìn)行幾何處理，建立求解域。尺寸為：車(chē)前2倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后3倍車(chē)長(zhǎng)，兩側(cè)各2倍車(chē)寬，計(jì)算域高度為3倍車(chē)高。將面網(wǎng)格導(dǎo)入TGrid生成體網(wǎng)格，最后將生成的體網(wǎng)格讀入Fluent中求解計(jì)算，見(jiàn)圖1。

圖1 整車(chē)網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件的設(shè)定

計(jì)算域進(jìn)口：選用速度進(jìn)口邊界，分別設(shè)定為5.56m/s、13.89m/s、 25m/s和48.61m/s，相當(dāng)于風(fēng)洞試驗(yàn)（20、50、90和175）km/h車(chē)速；

計(jì)算域出口：出口設(shè)為壓力出口邊界；

風(fēng)扇模型：選用Fluent自帶風(fēng)扇模型，通過(guò)風(fēng)扇試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合二次曲線(xiàn)，得出多項(xiàng)式系數(shù)，風(fēng)扇布置在左側(cè)（從車(chē)頭方向看去）；

換熱器模型：多孔介質(zhì)，域內(nèi)阻力系數(shù)由相關(guān)換熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出，本車(chē)型包括冷凝器、散熱器，布置方式見(jiàn)圖2，前端為冷凝器，后端為散熱器；流動(dòng)介質(zhì)：空氣，溫度為25℃，密度為1.205kg/m3。

圖2 前端冷卻模塊

2.4 散熱器計(jì)算區(qū)域劃分

將散熱器按照面積等分為30個(gè)小區(qū)域，劃分情況見(jiàn)圖3中所示30個(gè)方形區(qū)域，M1到M15為與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

圖3 散熱器計(jì)算模型取點(diǎn)

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本試驗(yàn)選擇在同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度為10℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙內(nèi)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速模擬車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)洞出口風(fēng)速模擬車(chē)速。選用高精度風(fēng)速儀測(cè)試散熱器前端空氣流速，該風(fēng)速儀的測(cè)量精度為+1%，可以測(cè)量風(fēng)速方向，測(cè)試值為負(fù)代表此處有回流。調(diào)整風(fēng)速儀框架以達(dá)到與散熱器同樣的尺寸大小，由于風(fēng)速儀接線(xiàn)以及布置空間的限制，同時(shí)考慮計(jì)算區(qū)域的劃分情況，將風(fēng)速儀按照?qǐng)D4進(jìn)行布置。由于冷凝器布置在散熱器前端上部，M13到M15三個(gè)風(fēng)速儀在冷卻模塊中的位置如圖5所示（從車(chē)頭方向看）。

圖4 風(fēng)速儀布置圖

圖5 M13、M14、M15布置圖

4 結(jié)果分析

4.1 散熱器風(fēng)速分布趨勢(shì)對(duì)比

提取計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，以車(chē)速90km/h為例分析風(fēng)速分布情況。

流經(jīng)散熱器的模擬風(fēng)速如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖6是流經(jīng)散熱器的風(fēng)速分布圖，左側(cè)色卡代表風(fēng)速大?。╔方向，單位：m/s），右側(cè)為散熱器表面的風(fēng)速分布。M1受邊緣無(wú)風(fēng)扇的影響風(fēng)速低于M2，而高于M3（M3位于風(fēng)扇輪轂區(qū)域）；由于風(fēng)扇布置在左側(cè)，M5、M6、M12風(fēng)速都很低，其中M12靠近下部無(wú)冷凝器區(qū)域?qū)儆谌咦罡?；M9位于風(fēng)扇輪轂處，風(fēng)速低于周?chē)鷧^(qū)域；也由于輪轂的影響M13的風(fēng)速低于M14而高于M15；M13、M14、M15前端沒(méi)有冷凝器，故風(fēng)速均高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)將計(jì)算與試驗(yàn)的結(jié)果（圖7所示）對(duì)照分析可以得出，兩者風(fēng)速分布完全吻合，大小趨勢(shì)十分一致。

4.2 風(fēng)速平均值分析結(jié)果

由于試驗(yàn)風(fēng)速儀（見(jiàn)圖4）所測(cè)為圓形區(qū)域平均風(fēng)速，而計(jì)算結(jié)果為方形區(qū)域的平均風(fēng)速，為了消除統(tǒng)計(jì)面積對(duì)風(fēng)速值的影響，對(duì)15個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域求平均值。由于M1～M12位于冷凝器與散熱器之間，故將此12個(gè)值求平均，將計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)照分析，見(jiàn)圖8。同樣，將M13、M14和M15求平均值，見(jiàn)圖9。

由圖可知，在四個(gè)不同車(chē)速下，前12個(gè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值能夠很好的吻合，20km/h時(shí)誤差最大，僅為5.6%。M13～M15三個(gè)區(qū)域的平均值誤差在高速175km/h時(shí)稍大些，達(dá)到了11.7%，其他車(chē)速時(shí)誤差均小于10%。

圖8 M1～M12平均風(fēng)速

圖9 M13～M15平均風(fēng)速

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)4個(gè)車(chē)速（20、50、90和110）km/h下15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣流情況進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：（1）對(duì)于流經(jīng)散熱器的空氣速度分布趨勢(shì)，以車(chē)速90km/h為例進(jìn)行分析，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合，大小趨勢(shì)一致性很好；（2）對(duì)于風(fēng)速大小，在四個(gè)不同車(chē)速下，前12個(gè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值能夠很好的吻合，車(chē)速20km/h時(shí)誤差最大，僅為5.6%，M13～M15的平均值誤差在車(chē)速175km/h時(shí)稍大些，達(dá)到了11.7%，其他車(chē)速時(shí)誤差均小于10%，均在可接受的范圍內(nèi)。本工作通過(guò)將試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了CFD分析的準(zhǔn)確性，對(duì)于整車(chē)前端冷卻模塊流場(chǎng)的考察完全可以用CFD模擬代替試驗(yàn)，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

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Simulation and experiment study of vehicle cooling module performance

Pan Leyan
（SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804）

CFD simulation and CWT test results of vehicle cooling module air fl ow performance are presented. The analyzed results of 15 measured points fl ow data under four vehicle speeds（20、50、90 and 110）km/h show that the results of the simulation are very closely to the test results and the error is within permissible limits. This work verif i ed the accuracy of CFD analysis. It is of important signif i cance on vehicle development because the CFD simulation can replace the vehicle cooling module fl ow test totally so as to save developing cost.

cooling module；CFD simulation；CWT test

*潘樂(lè)燕（1974-），女，工程師，高級(jí)經(jīng)理，主要從事汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及空調(diào)的設(shè)計(jì)及科研工作。聯(lián)系地址：上海市嘉定區(qū)安研路201號(hào)，上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)公司，郵編：201804，電話(huà)：021-61388274，電子郵箱：panleyan@saicmotor.com