賈 青，楊志剛

（同濟大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804）

現(xiàn)代汽車，尤其是轎車，運行車速的不斷提高、汽車發(fā)動機功率的加大以及城市道路工況的變化等，對發(fā)動機艙的冷卻性能提出了更高的要求.汽車發(fā)動機燃燒能量30%以上都需要由前端的換熱器來帶走，很多情況下發(fā)動機處在過熱的環(huán)境下，這對于汽車的燃油經(jīng)濟性、尾氣排放、乘客的熱舒適性等都造成了不利的影響［1－4］.汽車的冷卻性能是事關(guān)汽車運行狀況的重要問題.

汽車前端通常包括前端結(jié)構(gòu)件、前燈模塊和冷卻模塊三大部分，其中，前端結(jié)構(gòu)件、冷卻模塊都是對發(fā)動機艙內(nèi)流動產(chǎn)生重要影響的部件.汽車格柵是位于汽車前端的重要部件.從功能性出發(fā)，它起著引導(dǎo)空氣氣流進(jìn)入發(fā)動機艙，同時保護散熱器等冷卻部件的作用.從空氣動力學(xué)的角度來說，格柵對于汽車前端進(jìn)氣效果、進(jìn)氣質(zhì)量以及車內(nèi)流場的分布具有重要的影響；風(fēng)扇是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中用來鼓動車內(nèi)空氣再循環(huán)、增強換熱器換熱能力、加速冷卻液冷卻的部件.風(fēng)扇的壓力性能、工作效率直接影響到冷卻系統(tǒng)的工作能力［5］；冷卻模塊主要包括冷凝器、散熱器、冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇罩等.這些是對發(fā)動機及空調(diào)換熱起重要作用的部件.由于它們工作時的相互聯(lián)系、匹配作用對冷卻性能影響較大，現(xiàn)在的前端進(jìn)氣模擬中通常將這幾個部件集合為一個模塊來考慮.傳統(tǒng)的冷卻模塊中，習(xí)慣將風(fēng)扇放在散熱器之后，幾個部件按空氣來流的排列順序依次為冷凝器、散熱器和冷卻風(fēng)扇（CRFM）.本文采用這一模塊形式進(jìn)行研究.

20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，法雷奧冷卻系統(tǒng)公司 Ngy Srun Ap等［6－8］提出簡化的冷卻模塊及其數(shù)值模擬過程.Ngy Srun Ap等［7－8］和 Esad Celik［9］開始針對散熱器、風(fēng)扇、風(fēng)扇罩、格柵以及進(jìn)風(fēng)口形狀等前端因素進(jìn)行以一維為主的數(shù)值計算.通用汽車公司的Zhigang Yang等［10］和德爾福汽車系統(tǒng)的James A.Acre針對傳統(tǒng)的 CRFM（condenser radiator fan model）冷卻模塊提出了新的CFRM（condenser fan nadiaton model）冷卻模塊概念，主要從冷卻效果與能量消耗2個方面將2種模塊進(jìn)行比較，為冷卻模塊的重新布置提供了新的思路.

就研究對象而言，目前的前端進(jìn)氣和艙內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬以局部為核心，缺乏對艙內(nèi)眾多因素進(jìn)行歸納與分類，并缺少前端結(jié)構(gòu)件在前端進(jìn)氣中所起的作用大小和優(yōu)化性的分析.本文針對這個問題，通過大量數(shù)值模擬對前端部分結(jié)構(gòu)件和冷卻模塊對前端進(jìn)氣的影響進(jìn)行了歸納總結(jié).

1 數(shù)值計算

1.1 數(shù)值模型

采用1∶1整車模型進(jìn)行數(shù)值計算，整體基本保持了車內(nèi)外形狀與布置的完整性，省去了對汽車內(nèi)流影響不大的外部設(shè)備，如圖1a所示，格柵采用自行設(shè)計的形狀布置，如圖1b所示.汽車前端底部盡量保持了原有的出風(fēng)環(huán)境，如圖1c.汽車發(fā)動機艙內(nèi)省去了對流動影響較小的部件，并對空調(diào)壓縮機、發(fā)動機啟動裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，如圖1d.關(guān)鍵的部件，如冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇罩、隔熱板件、發(fā)動機、進(jìn)排氣管、變速器、懸置支撐等都在外形上盡量保證了原有的形狀，以滿足計算的要求.

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文均采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，總數(shù)量約為250萬，由于關(guān)心的問題在汽車發(fā)動機艙內(nèi)部，計算域內(nèi)的地面等邊界對艙內(nèi)計算結(jié)果影響很小，故未采用邊界層的設(shè)置與滑移地面的處理，汽車車輪也被當(dāng)作靜止?fàn)顟B(tài)處理.

采用分離式求解器，可實現(xiàn)的k（湍動能）-ε（湍動耗散率）湍流模型進(jìn)行計算，壁面采用非平衡壁面函數(shù)，邊界條件設(shè)置如表1所示.

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 格柵的研究

格柵對于汽車前端進(jìn)氣狀況的影響主要體現(xiàn)在2個方面：一是格柵疏密結(jié)構(gòu)所決定的進(jìn)氣面積大小對前端進(jìn)氣量和冷卻性能的影響；二是格柵的布置帶來的前端氣體的壓力損失與分離對艙內(nèi)氣流分布所造成的影響.

根據(jù)汽車進(jìn)風(fēng)口的形狀，采用了3種不同分布密度的格柵作為研究對象，來對這兩方面的影響進(jìn)行分析.格柵被處理為薄片結(jié)構(gòu)，且其均為橫向布置，如圖2所示.

圖2 簡易格柵布置Fig.2 Simple grid layout

針對不同的分布區(qū)域，按空間將格柵分為上、中、下3層.由于進(jìn)氣面積的大小和計算結(jié)果直接相關(guān)，在表2中給出了3層格柵各自的進(jìn)氣面積以及總進(jìn)氣面積（S）與冷凝器進(jìn)氣面積（C）的比值，其中C＝0.271 1m2.

表2 格柵進(jìn)氣面積參數(shù)Tab.2 Flow inlet area for varied density grids

對于每種格柵，采用了20km·h－1，50km·h－1，80km·h－1，110km·h－1，140km·h－15個速度點進(jìn)行計算.為了便于分析，各個速度下風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速保持2 800r·min－1不變.不同速度工況下不同格柵冷卻參數(shù)的比較如表3所示.

表3 不同速度工況下不同格柵冷卻參數(shù)比較Tab.3 Cooling parameter comparison for varied velocities and grid densities

從表3可以看出，3種格柵的各參數(shù)變化趨勢均相同：隨著車速的增加，前端進(jìn)氣量增加，冷凝器入口速度加大，但風(fēng)扇的壓升作用逐漸減弱，這是由于在高速時候的冷卻已經(jīng)基本不依賴于風(fēng)扇的引導(dǎo)作用.在較低速時，3種格柵的進(jìn)氣量相差并不大；隨著速度的增大，格柵3與格柵1、格柵2之間的差距逐漸明顯.對于格柵3而言，其冷凝器入口速度隨車速的變化很小，呈現(xiàn)出冷卻氣流對車速變化的不敏感性.從其風(fēng)扇的壓升可以看出，在車速為140km·h－1的高速時候，其風(fēng)扇仍然提供了高壓升，高于前2種格柵在中高速80km·h－1時候的壓升大小.可見格柵對于進(jìn)氣有顯著的阻礙作用.而在進(jìn)氣量方面，格柵1和格柵2在各個速度情況下比較接近，但格柵2的風(fēng)扇壓升作用稍高于格柵1.

在高速（大于120km·h－1）的情況下，格柵2的進(jìn)氣量超過格柵1.速度流線如圖3，以速度140 km·h－1為例，從圖3中可以明顯看出，在高速情況下，對于格柵1，上、中2層格柵的進(jìn)氣效應(yīng)互相影響的程度很大，以至于前端進(jìn)氣的走向有明顯的向上趨勢，這就直接導(dǎo)致了從格柵進(jìn)入前艙的氣流更多地從冷凝器上方與引擎罩板的間隙進(jìn)入后艙，而沒有起到冷卻的作用.這也就很好解釋了為什么速度很大的時候格柵2的冷卻能力反而高于格柵1.

對于中高速，以80km·h－1為例，同樣給出速度流線如圖4.從圖4中可以看出，就進(jìn)氣速度而言，格柵2在中層和底層正對冷凝器的區(qū)域比較均勻，且速度值大，這更加有利于氣流通過冷凝器和散熱器起到冷卻的作用.而格柵1和格柵3則相對較小.其中，格柵1是由于上、中2層格柵的氣流交匯，相互影響，導(dǎo)致在冷凝器前方的氣流在保險杠上部形成了回流渦旋，這對于進(jìn)氣散熱是不利的因素；而格柵3則是由于致密的格柵導(dǎo)致的進(jìn)口氣流速度過小，但上、中、下3層格柵的作用比較平均，氣流相互影響較小.就冷凝器上方流動狀況而言，可以明顯地看到格柵2具有抑制后艙熱氣流回流的作用.這是由于前艙內(nèi)的上、中層格柵進(jìn)氣速度差異不明顯，且相互影響效應(yīng)小，有利于上層格柵氣流抑制后艙的回流.而其他2種格柵在上、中層格柵之間形成低壓區(qū)，更容易導(dǎo)致回流的發(fā)生.

圖3 高速情況下不同進(jìn)氣面積近格柵流動狀況Fig.3 Flow near grid at high speed for varied grid densities

圖4 中高速情況下不同進(jìn)氣面積近格柵流動狀況Fig.4 Flow near grid at mid speed for varied grid densities

綜上，對于本文研究的車型，格柵2在高速進(jìn)氣量方面、風(fēng)扇壓升作用、前端進(jìn)氣狀況方面均具有更好的特性.從外形等其他方面兼顧考慮，格柵2即進(jìn)氣面積與散熱器正面積比值約為0.42的格柵應(yīng)該成為該類車型前端格柵中優(yōu)選的格柵方案，而同時說明格柵過密或過疏都會給前端氣流帶來不利的影響.

2.2 雙風(fēng)扇系統(tǒng)中風(fēng)扇轉(zhuǎn)向的影響

在當(dāng)今汽車的前端冷卻模塊中往往采用雙風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，故本文也采用這種型式.本文采用的模型左右兩側(cè)風(fēng)扇直徑、葉片數(shù)、翼型、葉片材料等均相同.由于汽車發(fā)動機艙內(nèi)的部件不具有對稱性的特性，且周圍部件距離2個風(fēng)扇的距離也不相同，因此，雙風(fēng)扇系統(tǒng)中風(fēng)扇各自的轉(zhuǎn)動方向就會互相產(chǎn)生影響，乃至影響到汽車的進(jìn)氣狀況.本文就風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向?qū)M(jìn)氣的影響展開研究，著重分析某些影響較大的工況點，給出了實際工程中選擇的參考意見.沿著車前進(jìn)的方向觀測，本文采用了同向旋轉(zhuǎn)、同時向內(nèi)旋轉(zhuǎn)和同時向外旋轉(zhuǎn)3種旋轉(zhuǎn)組合，并分別定義為旋轉(zhuǎn)方向1、方向2、方向3.

不同車速下各旋轉(zhuǎn)方向組合冷凝器入口流量如圖5所示.

圖5 不同車速下各旋轉(zhuǎn)方向組合冷凝器入口流量Fig.5 Mass flow rate for condenser inlet for varied velocities and fan rotation directions

從圖5看出，旋轉(zhuǎn)方向在低速范圍內(nèi)對進(jìn)氣流量的影響較大.在接近于怠速時（v＝3.6km·h－1），方向1和方向3的冷卻風(fēng)流量相差為4%左右.隨著車速逐漸提高，三者差距逐漸縮小.到中速（v＝50 km·h－1）時候，3種旋轉(zhuǎn)方向的冷卻風(fēng)量相當(dāng).此后的高速也大致保持這樣的趨勢，只是在v＝80km·h－1附近，旋轉(zhuǎn)方向1的冷卻效果稍優(yōu)于其他2種.總體而言，旋轉(zhuǎn)方向3風(fēng)扇表現(xiàn)較好，尤其是低速時，且風(fēng)扇下游的壓力、阻力環(huán)境在多數(shù)情況下較為優(yōu)越，建議在實際工程中加以考慮.

2.3 風(fēng)扇罩對于前端進(jìn)氣的影響

風(fēng)扇罩對于前端進(jìn)氣有2個方面的影響，一方面，對氣流有引導(dǎo)作用，更有利于風(fēng)扇在較低壓的環(huán)境下充分發(fā)揮壓升的作用，來實現(xiàn)對冷卻氣流量的提升，也能提高風(fēng)扇的工作效率，從而節(jié)省功率；另外一方面，風(fēng)扇罩自身對空氣的阻力作用也對進(jìn)氣量有一定的影響.本文從進(jìn)氣量入手，研究不同車速以及不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇罩作用的變化情況.

以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 800r·min－1為研究對象，研究了不同車速下風(fēng)扇罩對前端進(jìn)氣的影響，對比如圖6所示.

風(fēng)扇罩的作用存在著引導(dǎo)和阻力2個方面的作用，由圖6可見，從中低速到較高速的范圍內(nèi)，有風(fēng)扇罩的進(jìn)氣效果明顯好于沒有風(fēng)扇罩的情況，且速度越低，偏差越大.可以看到，在速度為50km·h－1時，兩者的偏差（以有風(fēng)扇罩為基準(zhǔn)）達(dá)到了36%，充分說明了風(fēng)扇罩的作用.隨著車速增加，兩者的差距逐漸縮小，速度為110km·h－1時僅為3%，而達(dá)到140km·h－1的速度之后，無風(fēng)扇罩的進(jìn)氣量反而超過了有風(fēng)扇罩的情況.可以預(yù)計，在更高的速度情況下，無風(fēng)扇罩的進(jìn)氣量與有風(fēng)扇罩的偏差將越來越大.

圖6 不同車速下有、無風(fēng)扇罩的流量比較Fig.6 Mass flow rate comparison between situation with and without fan shroud for varied velocities

通過ETA值找到速度平衡點，ETA的定義見式（1），其中，UC為冷凝器入口平均速度，而UV為汽車運行速度，兩者量綱相同.ETA反映了汽車在不同速度時的冷卻能力的大小.

從圖7可見，隨著車速的增加、ETA值的減小，風(fēng)扇罩的阻力作用逐漸加大，在某一速度點時，有、無風(fēng)扇罩的進(jìn)氣量相等.這個點被定義為進(jìn)氣平衡速度點.風(fēng)扇在平衡速度點越高，意味著有風(fēng)扇罩的結(jié)構(gòu)在越大的速度范圍內(nèi)優(yōu)于沒有風(fēng)扇罩的結(jié)構(gòu)，這對于汽車在全速度范圍內(nèi)行駛的冷卻是有利的.

對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別為2 500，2 800，3 000r·min－1這幾種較為普遍的情況進(jìn)行數(shù)值模擬.從圖8中可以看出，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的升高，平衡點的速度也同樣加大.風(fēng)扇為2 500r·min－1時，車速為108 km·h－1左右.而在2 800和3 000r·min－1時，分別為118km·h－1和122km·h－1.風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，平衡點的升高就越遲緩.這個速點則意味著風(fēng)扇罩的引導(dǎo)作用與其自身的阻力作用達(dá)到了平衡.可以推測，風(fēng)扇達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速以后，速度平衡點將基本保持不變.這個速度即為一定的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)下平衡點的最高值.對于本文所采用的風(fēng)扇而言，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 500r·min－1以上時，平衡速度點達(dá)到100 km·h－1以上，因此風(fēng)扇罩的阻力作用對發(fā)動機的冷卻性能的影響是可以接受的.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇罩平衡速度點Fig.7 ETA of fan shroud for varied fan rotation speeds

2.4 冷卻部件位置對冷卻的影響

汽車發(fā)動機艙內(nèi)部件眾多，布置復(fù)雜，對于相同的格柵結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)部件的相對位置對冷卻性能也有著重要的影響.主要體現(xiàn)在冷卻模塊中的部件順序、并聯(lián)風(fēng)扇的軸線距離、冷卻風(fēng)扇的出口壓力、發(fā)動機和變速器等主要部件與風(fēng)扇的相互影響等方面.從風(fēng)扇與發(fā)動機等部件的相對位置著手，研究其變化對于前端進(jìn)氣的影響效果.

參考了文獻(xiàn)［11］中所列的一些部件的間隙值，如圖8，圖中d1為冷卻風(fēng)扇距離散熱器的距離，在文獻(xiàn)中的建議值為最小19mm；d2為發(fā)動機懸置距離散熱部件的最近距離，其參考最小值為16mm；d3為風(fēng)扇上端距離上方平衡拉桿之間的距離；d4為風(fēng)扇距離發(fā)動機的最近水平距離.

圖8 發(fā)動機艙內(nèi)部件及相對距離Fig.8 Components layout inside engine

表4給出了計算所采用的位置信息.

表4 冷卻部件距離參數(shù)Tab.4 Cooling components distance for varied layouts

表5給出了計算得出的各速度情況下不同位置冷卻參數(shù)的比較.

表5 不同位置冷卻參數(shù)比較Tab.5 Cooling parameter comparison for varied velocities and layouts

從表5可以看出，d1減小可以使進(jìn)氣量增大，如位置1和位置2的對比，其距離減小12mm，可以使進(jìn)氣量增大6%～12%，且低速時候的差別高于高速階段；而位置1與位置3的比較說明，僅d3的變化對進(jìn)氣量的影響不明顯；位置4的結(jié)果位于位置1與位置2之間，與位置1的流量差別為3%～9%，這是水平距離d1和垂直距離d3共同影響的結(jié)果；同時，d1和d3的變化也與d2和d4相關(guān)聯(lián)，所以風(fēng)扇周圍發(fā)動機艙內(nèi)的壓力環(huán)境的變化也對結(jié)果造成了影響.

3 結(jié)論

首先討論了格柵的進(jìn)氣面積變化對前端進(jìn)氣的影響；采用了入口面積與散熱器面積之比作為選擇的參數(shù)；對各個速度的進(jìn)氣情況進(jìn)行了數(shù)值仿真計算，并從流量、ETA值、近格柵區(qū)域的流動狀況等方面比較分析了計算結(jié)果.建議格柵進(jìn)風(fēng)面積與換熱器迎風(fēng)面積之比為0.40～0.45.格柵過密或過疏都會給冷卻進(jìn)氣帶來不利的影響.

對雙風(fēng)扇系統(tǒng)中風(fēng)扇轉(zhuǎn)向問題進(jìn)行了研究.采用了3種不同的旋轉(zhuǎn)組合，考察進(jìn)氣情況隨之的變化情況.由風(fēng)扇周圍的流動矢量以及冷凝器入口速度的分布分析了各種方案的優(yōu)劣.建議使用兩風(fēng)扇都向汽車外側(cè)旋轉(zhuǎn)的組合方式，它使風(fēng)扇在大多數(shù)情況下都體現(xiàn)出了良好的做功能力.

再對風(fēng)扇罩的引導(dǎo)作用和阻力作用進(jìn)行了研究，分別對由低速到高速情況下的汽車前端冷卻狀況進(jìn)行了計算，得出了有風(fēng)扇罩和無風(fēng)扇罩2種情況下流量、風(fēng)扇效率的變化趨勢，對不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的變化進(jìn)行了分析，分析可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，2種情況的速度平衡點逐漸增大.

最后對發(fā)動機前端部件的相對位置進(jìn)行了變動，主要是冷卻模塊中風(fēng)扇相對于換熱器以及風(fēng)扇相對于發(fā)動機、上端平衡拉桿等之間的距離.根據(jù)文獻(xiàn)［11］中推薦的數(shù)值范圍，采用了4種不同的位置作為分析對象.對于計算結(jié)果，通過分析冷卻狀況得知，風(fēng)扇相對于散熱部件水平距離的減小對于前端進(jìn)氣效果的提高具有最為顯著的影響.

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