基于氣動風洞測試的整車熱管理CFD分析精度提升方法

袁俠義，朱宇澤，彭麗娟

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

傳統(tǒng)的氣動CFD分析和熱管理分析工作是分別進行的，在熱管理分析中更偏重溫度場的分析，而空氣動力學則更偏重流場的分析[1]。

對于前端冷卻模塊進氣量控制，換熱器參數(shù)和風扇參數(shù)在前期都是基于單品性能試驗輸入，與搭載在實車上的性能參數(shù)存在較大差別。熱管理模型的分析與標定需要到樣車階段在環(huán)模艙進行。因此，對于前期的CFD分析，存在無模型標定、仿真測試一致性不足的問題[2-5]。

本研究在開發(fā)前期，通過油泥模型在氣動風洞中測試前端模塊表面風速來標定熱管理CFD模型的方法，提升了熱管理CFD分析精度，為項目開發(fā)早期平衡熱管理和氣動阻力問題提供了參考依據(jù)[6-7]。

1 模型制作與測試方法

1.1 模型制作

風洞試驗模型樣車一般根據(jù)空氣動力學性能開發(fā)需求，按照實車比例制作。模型需正確表達車身外造型，且包含下車體細節(jié)和發(fā)動機艙流動通道。由外造型、機艙總成、下車體總成、輪胎總成共同組成。

上車體總成指汽車初步造型面（Concept A Surface，CAS），一般由油泥銑削和ABS樹脂或者代木和ABS樹脂兩種方式加工而成，能夠精準表達造型每一個細節(jié)，如格柵特征、后視鏡、分縫、特征線等，一起固定于骨架上，同時保證后視鏡可拆卸、機艙蓋能正常打開。

下車體主要包含前后懸架系統(tǒng)、副車架、傳動系統(tǒng)、擋泥板、附件等，一般由ABS樹脂或ABS和泡沫加工而成，如圖1所示。

圖1 油泥模型下車體

為了保證散熱系統(tǒng)的真實阻抗特性，機艙總成中的冷凝器、中冷器、散熱器、風扇主要由實車樣件代替。前端模塊支架、機艙各零部件等一般由ABS樹脂或ABS樹脂+泡沫加工而成，如圖2所示。

圖2 油泥模型發(fā)動機艙

輪胎總成一般包含制動盤、輪盤、輪胎、輪轂、制動鉗等，這部分主要由實車樣件代替。

1.2 測試方法

試驗選擇在國內(nèi)某風洞中心進行，可以提供足夠均勻的流場，包括均勻的風速分布、流向分布、低紊流度以及模擬路面小的邊界層厚度，滿足工程分析的需求。為獲得散熱器前部風速和分布情況，試驗中在冷凝器前部布置了12個葉輪式風速儀，在中冷器前布置了4個葉輪式風速儀，如圖3所示。

圖3 冷凝器和中冷器風速儀布置方案

試驗過程基于油泥模型的基礎狀態(tài)，進行一系列優(yōu)化方案的整改分析，每種狀態(tài)對應怠速、中低速、高速3種工況。以前端冷卻模塊的進風量和車輛的風阻系數(shù)Cd值作為考核標準，并與仿真模型進行對比修正。

2 測試數(shù)據(jù)

前端冷卻模塊的進風量是風速與冷卻模塊面積的積分，對于相同車型，冷卻模塊一致，面積上總進風量即與面平均風速成正比關系，考慮試驗與仿真的比對與標定，采用風速來進行風量的等效對比驗證。試驗中詳細選取車輛基礎狀態(tài)的3種速度工況測試數(shù)據(jù)，如表1所示，風扇轉速見表2。

表1 三種工況下?lián)Q熱器表面風速實測值

續(xù)表1：

表2 風扇轉速實測值

3 CFD模型建立及標定

3.1 物理模型

通常情況下，汽車的行駛速度遠小于聲速，氣流馬赫數(shù)很低，因此數(shù)值計算中一般把空氣當作不可壓縮粘性流體處理[8]。基于CCM+軟件的前端進氣分析和氣動阻力分析，涉及了汽車的內(nèi)外流場耦合的過程，需要滿足下列流動與傳熱的基本方程組。

1.1.1 質量守恒方程

將空氣看做不可壓縮流體，式中：(ρu為常數(shù)，取值為1.225，單位為kg/m3；ui為流體速度沿i方向上的分量。

1.1.2 動量守恒方程

式中：p為靜壓力；為應力矢量；ρgi為i方向上的重力分量；Fi為由于阻力和動力傳遞而引起的其它能量項。

1.1.3 能量守恒方程

式中：h為焓；k為分子傳導率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導率；Sh為定義的體積元。

本文中湍流輸運方程選擇的Realizablek-ε高雷諾數(shù)模型，已經(jīng)被有效地用于各種類型的流動模擬，包括旋轉均勻剪切流、管道內(nèi)流動以及帶有分離的流動[9]。

3.2 計算模型

3.2.1 前端散熱模塊模型

在工程應用中，考慮到計算軟硬件資源，為了提高計算效率，通常都將換熱器簡化為多孔介質模型，需要設定多孔介質的慣性阻尼系數(shù)、粘性阻尼系數(shù)、孔隙率[10]。風扇采用MRF方法來模擬，風扇域網(wǎng)格并非真實運動，而是通過將動量源加載到風扇葉片旋轉掃過區(qū)域的網(wǎng)格[11]。

本文所研究的機艙前端冷卻模塊布置關系如圖4所示。

圖4 前端冷卻模塊布置方案

3.2.2 邊界條件和求解設定

流場計算邊界條件設置見表1。溫度場計算時環(huán)境溫度設置為40℃，根據(jù)空調系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及各個部件的散熱功率需求對前端冷卻模塊輸入散熱量。對控制方程采用有限體積法進行離散，對各物理量采用全隱式分離求解，采用SIMPLE算法來耦合壓力速度，空間離散滿足二階精度，能量方程的殘差標準設置為10-6，其余項設置為10-3[12]。

表3 流場計算邊界條件設定

3.3 CFD模型標定

前端冷卻模塊換熱器多孔介質的參數(shù)根據(jù)單品性能試驗獲取，擬合出換熱器單品的粘性阻力系數(shù)Pv和慣性阻力Pi，由于機艙內(nèi)流阻力的影響，在整車環(huán)境下的換熱器阻力系數(shù)一般大于臺架測試數(shù)據(jù)[13]。同時，基于工程經(jīng)驗，由于風扇MRF模型熱尾跡的理想化[14]，實際需求的風扇轉速一般大于仿真的輸入值。模型標定的過程，一是通過細化格柵和飾條的網(wǎng)格尺寸使仿真模型與實車近似度更高[15]，二是通過修正阻力系數(shù)和風扇轉速這些參數(shù)使換熱器表面風速的仿真值與試驗值趨于一致[16]。經(jīng)過調節(jié)后仿真模型所得到的風速值見表4。

表4 模型標定后3種工況下?lián)Q熱器表面風速仿真值

冷凝器風速vc/(m·s-1)3.31 3.21 4.80 2.46 2.64 3.57 2.29 2.21 2.82 2.54 3.19 4.01 2.78 3.26 3.84 0.36 0.58 3.00 0.77 0.73 2.36 0.68 0.82 2.44 0.89 1.24 3.23冷凝器平均風速vc ave/(m·s-1) 2.48 2.64 4.03中冷器平均風速vi ave/(m·s-1) 0.68 0.84 2.76中冷器風速vi/(m·s-1)

標定后的模型冷凝器與中冷器表面平均風速仿真結果與實測結果誤差小于5%，通過將換熱器表面分區(qū)域進行標定修正可以使標定結果準確度較高[17]。

4 方案優(yōu)化

針對標定后的熱管理模型，在中低速工況下對導流罩設計，以及發(fā)動機下護板開口兩種優(yōu)化方案對前端冷卻進氣的影響進行研究。

加裝導流罩后，由圖5的分析結果可知，氣流到達前端模塊的速度明顯增加，機艙熱回流明顯減少，冷凝器氣流流量增加8.64%，散熱器氣流流量增加6.83%，中冷器流量增加5.14%。而且加裝導流罩后，通過引導前端模塊前部的氣流順暢流動，減少了混流，整車氣動阻力系數(shù)由0.291減小至0.285。

發(fā)動機下護板開口后，冷凝器風速減小1.17%，中冷器風速增加2.05%，其原因在于部分艙內(nèi)氣流從發(fā)動機下護板通過，減小了機艙下半部分的內(nèi)流阻力，從而中冷的冷卻進風量會增大，而用于冷凝器部分由于周邊壓力減小，會有少量耗散，整車的風阻系數(shù)由于內(nèi)流阻力減小，由0.285減小至0.284。目前主流的散熱氣流的出風位置除了在下護板上還可以有很多安置，如圖6所示。散熱口的形狀設計，也可以通過導流優(yōu)化方案來調整排氣方向，最大限度減少機艙內(nèi)湍流和對外流場的影響，如圖7所示。

圖5 相同截面風速矢量圖分布對比

圖6 散熱氣流出口位置

圖7 散熱口形狀優(yōu)化方案

5 結論

本文提出采用油泥模型在氣動風洞中測試前端模塊的風量標定熱管理CFD模型的方法，在項目開發(fā)早期修正模型，提升了前端模塊進氣量的準確度。采用該方法能更準確地優(yōu)化前端模塊導流罩等對冷卻系統(tǒng)有影響的零部件。對于機艙熱保護而言，零部件的表面對流換熱系數(shù)在前期就能獲得較為準確的輸入，提高溫度場計算的準確度。該方法也能使發(fā)動機艙內(nèi)流場的優(yōu)化做到空氣動力學性能和熱管理性能的最佳平衡。

除了前端冷卻模塊的標定，熱管理CFD模型標定可以調節(jié)的參數(shù)還有整車網(wǎng)格設置、流體邊界層設定和湍流模型等，要獲得更加準確的整車熱管理CFD模型還需要大量的工程研究和對計算流體力學更加深入的理解。