某MPV車型進氣格柵開口角度的仿真分析

張涵 韋流權 劉康 占魁

摘要：為研究某MPV車型進氣格柵開口角度對整車風阻性能和發(fā)動機艙散熱性能的影響規(guī)律，本研究采用cFD數(shù)值仿真對某MPV車型在不同車速和不同進氣格柵開口角度下分別進行仿真，分析進氣格柵不同開口角度對整車風阻系數(shù)、發(fā)動機艙內(nèi)流阻力和散熱器進風量的影響。仿真結果表明：進氣格柵全關狀態(tài)相對于全開狀態(tài)，整車風阻系數(shù)可有效降低3.37%;隨著進氣開口角度的增大，不同車速下發(fā)動機艙內(nèi)流阻力均呈現(xiàn)出先逐步增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律;中高速工況下，格柵開口角度過大會導致發(fā)動機艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結果導致散熱器進風量降低。仿真分析結果為整車開發(fā)前期提供了一定的指導意見。

關鍵詞：發(fā)動機艙;進氣格柵開口角度;CFD數(shù)值仿真;風阻性能;散熱性能

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0028-05

張涵

畢業(yè)于廣西大學機械工程學院，本科學歷，現(xiàn)任上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心整車性能集成科經(jīng)理，主要從事整車性能集成開發(fā)工作。

1 引言

汽車進氣格柵是汽車前部重要的造型元素，其設計屬于細節(jié)設計層次，它直接影響著整車造型設計風格，其重要性不言而喻[1]。進氣格柵體現(xiàn)在整車上的作用不僅僅體現(xiàn)在外觀上，其開口大小、位置及角度都會直接影響到外界進入發(fā)動機艙的冷卻空氣流量大小和氣流方向，進而影響到發(fā)動機艙的內(nèi)部流場。汽車進氣格柵開度也會影響到整車風阻系數(shù)，當進氣格柵開度小于60%后風阻系數(shù)才有明顯的降低變化[2]。此外，在汽車冷啟動階段，將進氣格柵全關閉可縮短發(fā)動機40%的暖機時間[3]，減少了發(fā)動機低溫磨損的同時實現(xiàn)了整車油耗的降低。

當前國內(nèi)外已有不少學者對汽車進氣格柵的大小、形狀、開度及控制策略進行過深人的研究。國內(nèi)方面，王東等人[4]研究進氣格柵各部分的開啟狀態(tài)對發(fā)動機艙進氣效率的影響，結果表明上部格柵對進氣量的貢獻較小，下部格柵影響較大，而中部格柵進氣效率最高;王文璽等人[5]基于中心組合設計的標定方案建立整車散熱一冷卻需求和AGS多開度控制模型，經(jīng)實車驗證在極限工況下冷卻流量優(yōu)化約49%，典型工況下節(jié)油效果約0.11，;Kim J M等人[6]利用CFD數(shù)值仿真研究進氣格柵不同的開口形狀對小型乘用車氣動阻力和冷卻性能的影響規(guī)律，其分析結果對進氣格柵的設計提供了一定的依據(jù);Young-Chang Cho等人[7]構建整車燃油經(jīng)濟性的數(shù)學模型，在滿足散熱需求基礎上以降低氣動阻力為優(yōu)化目標提出了AGS的連續(xù)控制方案，結果表明在高速工況下，整車燃油經(jīng)濟性提升1.3%-1.5%。

本研究針對某MPV車型開發(fā)前期，分析進氣格柵的開口角度對整車風阻性能和發(fā)動機艙散熱性能的影響規(guī)律。采用CFD數(shù)值仿真的方法研究不同車速工況下進氣格柵不同開口角度對整車風阻系數(shù)、發(fā)動機艙內(nèi)流阻力和散熱器進風量的影響，對該車型進氣格柵的開發(fā)前期提供一定的指導意見。

2 數(shù)值仿真模型

2.1 仿真模型

按照1：1比例將整車模型導入ANSA中進行簡化處理和面網(wǎng)格劃分，簡化模型主要包括去除車身內(nèi)部座椅、儀表盤、方向盤等無關部件，對發(fā)動機艙內(nèi)中冷器、冷凝器、散熱器和風扇等進行簡化，保留整車外部結構和發(fā)動機艙內(nèi)部結構。根據(jù)已有的通用方式構建風洞：令車身長度為L，車身寬度為W，車身高度為H，則風洞設定為車前3L，車后5L，車頂部5H，車兩側(cè)4W[8]。在風洞內(nèi)部設置網(wǎng)格加密區(qū)域用以提高CFD仿真精度，最后采用ANSYS Fluent對網(wǎng)格模型進行區(qū)域體網(wǎng)格劃分和求解計算。風洞模型及計算域如下圖1。

2.2 邊界條件

模擬風洞人口設置為速度入口，大小為車速;模擬風洞出口為壓力出口，大小為標準大氣壓;計算域內(nèi)車身表面設置為無滑移壁面，上表面及左右表面設置為滑移壁面，底部設置為移動壁面，速度與車速一致;設置中冷器、冷凝器及散熱器為多孔介質(zhì)模型，并采用MRF模型將風扇與風扇罩之間部分設為旋轉(zhuǎn)區(qū)域[9]，風扇轉(zhuǎn)速固定為2568r/min;CFD仿真為穩(wěn)態(tài)仿真，為使仿真規(guī)律更適用于NEDC循環(huán)工況，選取NEDC工況勻速段（30km/h、50km/h，70km/h、100km/h和120km/h）作為仿真基本工況;設置進氣格柵模型的調(diào)整角度從全閉到全開依次為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，格柵葉片與豎直平面的夾角定義為進氣格柵開口角度，且上下格柵同向同步轉(zhuǎn)動，格柵結構及開口角度定義如圖2。

3 CFD仿真結果分析

3.1 整車風阻系數(shù)

進氣格柵開口角度的改變使得進入發(fā)動機前艙冷卻氣流的流量大小及流動方向出現(xiàn)變化，進而影響到整車的內(nèi)外流場分布及風阻特性。而對于整車的設計研發(fā)中常使用風阻系數(shù)的概念來評價整車風阻，風阻系數(shù)是汽車固有的屬性，其大小只取決于汽車的外形結構，而與車速無關[10]。汽車行駛時空氣阻力的數(shù)學模型如下：

F_w=1/2C_d×A×ρ×V²

（1）

式中：F_w為空氣阻力，N;C_d為風阻系數(shù);A為汽車的迎風面積，m²;ρ為空氣密度，m³/kg，;V為行駛速度，m/s。

由于風阻系數(shù)是汽車固有的屬性與車速無關，故只選取120km/h的工況并針對不同格柵角度的整車模型分別進行仿真分析，在Fluent中設置參考值并依據(jù)公式（1）計算監(jiān)測到不同格柵角度下的風阻系數(shù)值，進氣格柵開口角度對整車風阻系數(shù)的影響如圖3。

由仿真結果可知：1）隨著進氣格柵開口角度的增大，整車風阻系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，且格柵開口角度為0°即葉片全關狀態(tài)下，整車風阻系數(shù)最小為0.3810，格柵開口角度為90°即葉片全開狀態(tài)下，風阻系數(shù)最大為0.3942，格柵葉片從全開到全閉過程中風阻系數(shù)下降了3.37%;2）進氣格柵開口角度為75°時，整車風阻系數(shù)的數(shù)值趨于穩(wěn)定。

結合公式（1）和仿真結果可知，整車風阻與車速的平方線性相關，高速工況下降低整車風阻系數(shù)對于降低整車風阻的效果越明顯，節(jié)油效果也更明顯。因此建議在汽車實際道路行駛中，在滿足發(fā)動機艙散熱需求的基礎上，可適當調(diào)小格柵角度用以降低整車風阻，進而實現(xiàn)整車油耗的降低。

3.2 發(fā)動機艙內(nèi)流阻力

發(fā)動機前艙內(nèi)流阻力對整車氣動阻力影響較大，其大小約占汽車總氣動阻力的10～18%。汽車發(fā)動機艙內(nèi)流阻力通常與發(fā)動機前艙內(nèi)零部件的形狀尺寸及其布置有關，而進氣格柵的葉片轉(zhuǎn)動可有效地引導氣流的流向，進而對發(fā)動機前艙內(nèi)流阻力產(chǎn)生顯著影響。內(nèi)流阻力通常表征流經(jīng)前艙零部件引起的動量損失，根據(jù)本研究車型發(fā)動機前艙零部件排布特征，選取靠近進氣格柵處的中冷器、冷凝器和散熱器組成進氣通道產(chǎn)生的總壓力降用以代表發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力，進氣格柵不同開口角度下的內(nèi)流阻力如表1，其變化趨勢如圖4。

由仿真結果可知如下規(guī)律，1）不同工況下，發(fā)動機艙內(nèi)流阻力隨進氣格柵開口角度的改變呈現(xiàn)出大致相同的變化規(guī)律。格柵開口角度為0°，各工況下發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力基本相同;進氣格柵開口角度在0°～45°時，發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力呈現(xiàn)出逐步增大的變化趨勢，原因是進氣格柵開口角度的增大使得進入發(fā)動機前艙的氣體流量明顯增大，但同時氣流更容易受到中冷器、冷凝器、散熱器和冷卻風扇等冷卻部件的摩擦與阻滯作用，從而使發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力相對更大。格柵開口角度在45°～90°范圍變化時，各工況下發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力均無明顯變化。2）進氣格柵在同一開口角度下，車速越大發(fā)動機艙的內(nèi)流阻力越大。原因是發(fā)動機艙的氣動阻力大小與前艙氣體流速的平方成正比，車速越大導致進入發(fā)動機艙氣體流速越大，進而導致進氣通道的內(nèi)流阻力增大。3）高速工況（120km/h）下，發(fā)動機艙內(nèi)流阻力相比于格柵全閉狀態(tài)下增幅最為顯著為185%，說明相比于低速工況，高速工況下格柵角度減小對降低前艙內(nèi)流阻力作用更為明顯。

3.3 散熱器進風量

進氣格柵的開口角度直接影響外界冷卻空氣進入發(fā)動機艙的流量大小，CFD仿真中常用流經(jīng)散熱器人口的空氣質(zhì)量流率（Mass FlowRate）來衡量發(fā)動機艙散熱性能的好壞。當冷卻空氣通過散熱器在進出口溫差不變時，散熱器進風量越大意味著在相同時間內(nèi)進行熱交換的氣體流量越大，進而發(fā)動機艙散熱性能越好。對不同車速工況和格柵角度下進行仿真分析，散熱器的空氣質(zhì)量流率通過在Fluent中設置監(jiān)測面讀取，具體數(shù)據(jù)見表2，各工況下格柵角度對散熱器進風量的影響曲線如圖5。

汽車正常行駛時，散熱器的進風量主要由汽車行駛產(chǎn)生的氣流沖壓效應和風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應兩部分作用影響，結合仿真分析的結果可知，1）進氣格柵開口角度為0°，各工況下散熱器的進風量基本相同，與發(fā)動機艙內(nèi)流阻力規(guī)律保持一致。原因是進氣格柵全關閉時，散熱器的進風量主要以冷卻風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應提供，由于風扇轉(zhuǎn)速保持不變，故散熱器進風量也基本相同。2）低速工況（30km/h和50km/h）時，由于汽車行駛產(chǎn)生的氣流沖壓效應較小，隨著格柵角度增大，散熱器的進風量先緩慢增加而后趨于穩(wěn)定。3）中高速工況（70km/h、100km/h和120km/h）時，隨著格柵角度的增大，散熱器的進氣量呈現(xiàn)先快速增加而后降低的變化趨勢，且速度越大變化效果越顯著。結合圖6中120km/h車速下發(fā)動機艙中截面速度矢量圖分析主要原因如下：中高速工況下，進氣格柵開度過大時，格柵葉片對冷卻氣流的導流作用降低，發(fā)動機艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結果導致冷卻氣流沒有得到有效利用，散熱器進風量降低。

4 結論

本文以某MPV車型為研究實例，利用CFD數(shù)值仿真綜合分析汽車進氣格柵開口角度對整車風阻性能和發(fā)動機艙散熱性能的影響，得到如下結論：

（1）研究進氣格柵開口角度對整車風阻系數(shù)的影響，仿真結果表明進氣格柵全關狀態(tài)相對于全開狀態(tài)，整車風阻系數(shù)可有效降低3.37%，適當減小進氣格柵的開口角度可以有效降低整車風阻系數(shù)，進而實現(xiàn)整車油耗的降低。

（2）研究進氣格柵開口角度對發(fā)動機艙內(nèi)流阻力的影響，仿真結果表明格柵角度為00，各工況下發(fā)動機艙內(nèi)流阻力基本相同;格柵角度在0°～45°時，發(fā)動機艙內(nèi)流阻力逐步增大;格柵角度在45°～90°時，各工況下發(fā)動機艙內(nèi)流阻力基本不變。

（3）研究進氣格柵開口角度對散熱器進風量的影響，仿真結果表明中高速工況下，格柵開口角度過大會導致發(fā)動機艙上方部分區(qū)域出現(xiàn)氣流漩渦現(xiàn)象，中冷器下方冷卻氣流出現(xiàn)大量逃逸現(xiàn)象，結果導致散熱器進風量降低。

參考文獻：

[1]孫黎，王波.汽車進氣格柵造型規(guī)律分析[J].汽車工程，2010，32（5）：399-403.

[2]張斌，余小松，潘樂燕.主動進氣格柵對整車性能的影響[J].客車技術，2015（1）：11-15.

[3]Pfeifer，C.Evolution of Active Grille Shutters·SAE Technical Paper 2014-01-0633，2014，doi：10.4271/2014-01-0633.

[4]王東，樊登云，易吉天.格柵對汽車前端進氣影響的仿真分析[J].計算機輔助工程，2013，22（6）：18-22.

[5]王文璽，吳存學，干能強，等.基于中心組合設計的主動進氣格柵多開度控制模型的建立[J].汽車工程，2015（11）：1240-1245.

[6]Kim J M，Kim KM，Ha SJ，et al.Grille designfor passenger car to improve aerodynamic andcooling performance using CFD technique[J].International Journal of Automotive Technology，2016，17（6）：967-976.

[7]Cho，Y，C，Chang，C，Shestopalov，A，and Tate，E.Optimization of Active Grille ShuttersOperation for Improved Fuel Economy.SAE Int.J.Passeng.Cars-Mech.Syst.10（2）：2017，doi：10.4271/2017-01-1513.

[8]劉傳波，魯力，莫易敏，等.汽車發(fā)動機艙散熱組件布局仿真優(yōu)化[J].汽車工程，2018，40（3）：245-250.

[9]何煒，馬靜，王東，等.多參考坐標系法和滑移網(wǎng)格法在汽車前端進氣數(shù)值模擬中的比較[J].計算機輔助工程，2007，16（3）：96-100.

[10]傅立敏.汽車設計與空氣動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998：22-44.