采用CFD-KULI耦合方法的主動(dòng)格柵對(duì)汽車氣動(dòng)阻力和散熱性能的影響研究

何丹懷，廖 斌，楊雅文，全鵬輝

(北汽銀翔汽車有限公司 研發(fā)一中心整車集成所， 重慶 401533)

采用CFD-KULI耦合方法的主動(dòng)格柵對(duì)汽車氣動(dòng)阻力和散熱性能的影響研究

何丹懷，廖 斌，楊雅文，全鵬輝

(北汽銀翔汽車有限公司 研發(fā)一中心整車集成所， 重慶 401533)

采用三維CFD技術(shù)和一維熱管理仿真軟件KULI進(jìn)行耦合，對(duì)某跨界SUV車型主動(dòng)格柵開閉2種狀態(tài)進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的計(jì)算和分析，得到了整車外流場(chǎng)分布結(jié)果、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度以及中冷器的進(jìn)出氣溫度，并對(duì)冷卻系統(tǒng)的模擬值和發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真分析結(jié)果的精確性，為AGS的研究應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

AGS；空氣動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬；熱平衡

汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)影響著整車運(yùn)行的可靠性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性[1-5]。隨著國(guó)際油耗標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一以及國(guó)內(nèi)相關(guān)政策在汽車尾氣對(duì)環(huán)境影響方面更加嚴(yán)格的限制，各汽車企業(yè)紛紛研發(fā)低油耗、技術(shù)先進(jìn)的汽車部件，以達(dá)到降低油耗、滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)政策、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的目的，整車空氣動(dòng)力學(xué)特性研究顯得越來越重要[6-7]。

本文首先在某跨界SUV(運(yùn)動(dòng)型多用途汽車)車型的基礎(chǔ)版型上，增加主動(dòng)格柵(AGS)，利用CFD技術(shù)分析在不同工況下整車的空氣動(dòng)力學(xué)特性，研究AGS對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，同時(shí)獲得整車在不同工況下前格柵處Cp值，并得到中冷器、冷凝器和散熱器的進(jìn)氣流量。采用耦合一維熱分析軟件KULI進(jìn)行AGS對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)影響的分析。最后對(duì)冷卻系統(tǒng)的仿真結(jié)果和發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)合供應(yīng)商提供的各汽車企業(yè)計(jì)算AGS對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)影響結(jié)果以及本文分析的AGS對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響，較全面地評(píng)估了AGS在國(guó)內(nèi)SUV車型中對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)和冷卻系統(tǒng)的影響。

1 CFD空氣動(dòng)力學(xué)特性分析

1.1 基本控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

本文采用Standk-ε方程計(jì)算湍流。該方程要求的計(jì)算資源較低，同時(shí)又能保證計(jì)算結(jié)果的高準(zhǔn)確性[8-10]。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

(6)

其中：Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的影響；C1ε、C2ε、G3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)。聯(lián)合求解上述方程，得到計(jì)算域的流場(chǎng)分布。

1.2 工況確定

本文計(jì)算了在低速工況下全開和高速工況下全閉時(shí)有無AGS對(duì)某SUV車型氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響。具體工況見表1。

表1 仿真模擬工況

計(jì)算工況代表了典型的AGS應(yīng)用在整車上的工作策略。根據(jù)AGS供應(yīng)廠商建議，還有一種開度為45°的工作狀態(tài)，但由于使用AGS的各車型中應(yīng)用此工作狀態(tài)不多[9]，所以本文未對(duì)此進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比。

1.3 模型建立和網(wǎng)格劃分

根據(jù)某SUV基礎(chǔ)車型的CATIA數(shù)據(jù)模型建立流體計(jì)算域，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算氣動(dòng)阻力系數(shù)的流程和方法建立合適的幾何模型。圖1為AGS全閉狀態(tài)模型。圖2為AGS全開狀態(tài)模型。圖3為AGS整車安裝模型。首先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，其次在Star-ccm+軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格的生成，體網(wǎng)格采用Trimmer類型，并對(duì)速度梯度變化較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密以提高計(jì)算結(jié)果的精確性[10]。

圖1 AGS全閉狀態(tài)模型

圖2 AGS全開狀態(tài)模型

圖3 AGS整車安裝模型

1.4 CFD空氣動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

表2為各工況下整車投影面積、氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算對(duì)比值。研究表明：傳統(tǒng)的燃油車風(fēng)阻系數(shù)可下降10%，油耗能降低3%。在高速狀態(tài)下無AGS的風(fēng)阻系數(shù)值為0.369，在AGS全閉狀態(tài)下風(fēng)阻系數(shù)值為0.353，表明AGS在全閉狀態(tài)下能有效降低整車風(fēng)阻值，從而達(dá)到降低油耗的目的。

表2 AGS空氣動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

圖4為高速狀態(tài)下AGS全閉和無AGS 2種工況下的正面壓力云圖。圖5為高速狀態(tài)下AGS全閉和無AGS 2種工況下的縱截面速度云圖。圖6為高速狀態(tài)下AGS全閉和無AGS 2種工況下的冷凝器進(jìn)口表面速度云圖。

圖4 工況1和2正面壓力云圖

圖5 工況1和2縱截面速度云圖

圖6 工況1和2冷凝器進(jìn)口表面速度云圖

從圖4可以看出：AGS全閉狀態(tài)下格柵處正壓力明顯高于無AGS的工況，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)AGS全閉，部分冷卻空氣無法流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙。結(jié)合圖5和圖6可知：在高速AGS關(guān)閉的狀態(tài)下可明顯降低進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻風(fēng)量和因湍流而產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力，從而達(dá)到降低整車風(fēng)阻系數(shù)值的效果，但此時(shí)因進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻風(fēng)量的減少會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙散熱效果變差，需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一維熱分析，驗(yàn)證在AGS全閉狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度是否超溫。

2 一維冷卻系統(tǒng)分析

由CFD三維分析可知，在高速AGS全閉狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻空氣進(jìn)氣量降低了，因此需驗(yàn)證在此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度是否超溫，此工況是否影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常散熱[14]。

2.1 一維分析模型建立

首先建立冷卻系統(tǒng)水側(cè)循環(huán)，包括散熱器、中冷器和油冷器模塊。圖7為冷卻系統(tǒng)水側(cè)循環(huán)。其次建立冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)循環(huán)，圖8為冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)循環(huán)。

圖7 冷卻系統(tǒng)水側(cè)循環(huán)

圖8 冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)循環(huán)

2.2 一維分析結(jié)果

由表3工況1和工況2冷卻系統(tǒng)一維分析結(jié)果可知：高速AGS全閉狀態(tài)下各冷卻模塊進(jìn)出口溫度均在正常溫度范圍之內(nèi)，不存在超溫現(xiàn)象。工況2比工況1的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度高5.2 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在正常范圍之內(nèi)，表明在高速工況下AGS全閉方案是可行的。

表3 工況1和工況2冷卻模塊進(jìn)出口仿真溫度 ℃

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)AGS高速全閉狀態(tài)下在轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架進(jìn)行了整車熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為40 ℃，光照強(qiáng)度為950 W/m2，車速為120 km/h。試驗(yàn)前將車放置在試驗(yàn)艙內(nèi)4 h。圖9為本文研究車型在熱平衡實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的情形。為了與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在中冷器、油冷器、散熱器進(jìn)出口均布置了溫度傳感器，每隔5 min記錄一次溫度讀數(shù)。將穩(wěn)定后的溫度值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表4。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出誤差在5%之內(nèi)，表明了本文仿真結(jié)果的精確性。

圖9 整車熱平衡試驗(yàn)

表4 工況1和工況2冷卻模塊進(jìn)出口試驗(yàn)溫度 ℃

4 結(jié)論

本文通過模擬仿真研究了AGS在全開和全閉狀態(tài)下對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，同時(shí)研究了在高速AGS全閉狀態(tài)下對(duì)散熱系統(tǒng)的影響，并且通過整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：在高速AGS全閉狀態(tài)整車風(fēng)阻系數(shù)降低了0.016，雖然此時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻空氣流量降低了，但通過KULI軟件進(jìn)行的一維熱平衡分析表明：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)能力并沒有受到影響，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在正常范圍內(nèi)，一維仿真溫度與試驗(yàn)溫度誤差在5%之內(nèi)，表明本文模擬仿真結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。

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EffectofAGSBasedonCFD-KuliCouplingMethodonVehicleAerodynamicResistanceandHeatDissipation

HE Danhuai, LIAO Bin, YANG Yawen, QUAN Penghui

(Vehicle Integration Deparement of R&D Center,BAIC Yinxiang Automobile Co., Ltd., Chongqing 401533, China)

Three-dimensional CFD technology and one-dimensional thermal management simulation software KULI are used to calculate and analyze the aerodynamics and engine cooling system of a cross-boundary SUV model active grating (AGS). The results show that the simulation results of the cooling system are compared with the results of the thermal balance test of the engine, and the accuracy of the simulation results is verified. The results show that the simulation results of the simulation results are in good agreement with each other. This paper provides the theoretical and experimental basis for the research and application of AGS.

AGS; aerodynamics; numerical simulation; heat balance

2017-08-22

何丹懷(1986—)，女，重慶人，碩士，工程師，主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)方向的研究，E-mail：tingyuan27@126.com；通訊作者 廖斌(1989—)，男，重慶人，碩士，主要從事汽車熱管理研究，E-mail：tasklb@163.com。

何丹懷，廖斌，楊雅文，等.采用CFD-KULI耦合方法的主動(dòng)格柵對(duì)汽車氣動(dòng)阻力和散熱性能的影響研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):53-57.

formatHE Danhuai, LIAO Bin, YANG Yawen, et al.Effect of AGS Based on CFD-Kuli Coupling Method on Vehicle Aerodynamic Resistance and Heat Dissipation[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):53-57.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.009

U461.1

A

1674-8425(2017)12-0053-05

(責(zé)任編輯劉 舸)