前艙引流板對(duì)溫度場(chǎng)的改善分析

魏淳

前艙引流板對(duì)溫度場(chǎng)的改善分析

魏淳

（摩登汽車有限公司，上海 200040）

重點(diǎn)介紹了前艙引流板對(duì)溫度場(chǎng)改善的分析過程。針對(duì)某項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，前艙溫度場(chǎng)不達(dá)標(biāo)的情況，提出增加前艙引流板的建議，通過CFD（Computational Fluid Dynamics）分析對(duì)比，增加前艙引流板后，前艙的流場(chǎng)及各主要零部件的溫度情況改善明顯，使進(jìn)入前艙的氣流利用率最大化，解決了整車開發(fā)過程中，前艙溫度場(chǎng)難以達(dá)標(biāo)的問題。

引流板；CFD；溫度場(chǎng)；有限元分析

1 概述

汽車前艙是一個(gè)半封閉的空間，艙內(nèi)包括了冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及蓄電池、電器盒等對(duì)溫度存在限值的元件，且空間結(jié)構(gòu)布置非常緊湊。隨著對(duì)汽車動(dòng)力性、排放性能、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性等方面要求的日益提高，汽車的前艙內(nèi)元件變得越來越模塊化，布置也越來越緊湊，這給前艙散熱帶來了更大的挑戰(zhàn)，使汽車的散熱問題成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。因此，在新車型開發(fā)的過程中，可考慮采用CFD數(shù)值仿真的方法，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱研究[2]。

由于前艙溫度太高，可能造成前艙的自燃。所以傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)時(shí)為滿足散熱器的供風(fēng)需求，將格柵開口加大，保證充足的進(jìn)氣量通過格柵進(jìn)入散熱器。但增大格柵開口將會(huì)增加整車風(fēng)阻，大大降低經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)新能源汽車在汽車行業(yè)中的迅速崛起，使格柵開口“最小化”成為很多造型設(shè)計(jì)師的追求。

為了確保冷卻系統(tǒng)的散熱能力、整機(jī)的綜合熱平衡達(dá)到良好的效果，對(duì)客車風(fēng)扇葉片到散熱器芯子的距離進(jìn)行合理匹配試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：吸風(fēng)式和吹風(fēng)式風(fēng)扇的葉片到水散熱器芯子地最佳距離分別為88～98 mm和78mm，而吸風(fēng)式風(fēng)扇的葉片與中冷器芯子地最佳距離為168mm[3]。文獻(xiàn)[4]提出對(duì)散熱器組的獨(dú)立研究；文獻(xiàn)[5]提出了對(duì)前艙輸入的研究；文獻(xiàn)[6]提出了主動(dòng)格柵對(duì)氣動(dòng)減阻和散熱需求的研究等。

本文通過CFD仿真軟件，分析了氣流通過格柵進(jìn)入前艙后的流向，發(fā)現(xiàn)在格柵與散熱器之間存在較為嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，還有很多氣體從散熱器四周流過，并未對(duì)散熱器的運(yùn)作起到有效作用。為避免上述情況的出現(xiàn)，分析增加前艙引流板來調(diào)整進(jìn)入格柵的氣體流向，得出最佳優(yōu)化方案。

2 CFD仿真分析原理

CFD實(shí)質(zhì)上是利用技術(shù)求解三大控制方程，三個(gè)控制方程的具體描述如下：

2.1 質(zhì)量守恒定律

該定律可以描述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加與同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量相等。按照這一規(guī)律，可以得出質(zhì)量守恒方程（1）。

2.2 動(dòng)量守恒方程

所有流體系統(tǒng)都必須遵守這一基本守恒定律。該定律在流體系統(tǒng)中可以定義為：微元體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在微元上的各種力之和。根據(jù)這一定律，可以得到沿、、方向的三個(gè)單向流動(dòng)量守恒方程（2）：

其中：-流體微元體上的壓力；τ、τ、τ——作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量，由粘性作用產(chǎn)生；F、F、F——微元體上的體力，若體力只有重力且沿軸豎直向上，則F=0, F=0, F=-ρg。

2.3 能量守恒方程

含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須遵守能量守恒定律。在此系統(tǒng)中，能量守恒定律可定義為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。

其中：C—比熱容；—溫度；—流體的傳熱系數(shù)；S—流體內(nèi)熱源及因黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)為熱能的部分，通常將S叫做黏性耗散項(xiàng)。

3 前艙溫度場(chǎng)控制的重要性

前艙布置了冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及蓄電池、電器盒等眾多零部件，在高溫環(huán)境下無法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，甚至引發(fā)自燃。所以需要對(duì)前艙進(jìn)行溫度管理，控制溫度上限，確保在各種惡劣的工況下各零部件的溫度能夠在其限值之內(nèi)。針對(duì)某新能源汽車開發(fā)項(xiàng)目所選用的零部件，其相應(yīng)的溫度限值為：冷卻風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的極限溫度為80°；冷卻風(fēng)扇電機(jī)的極限溫度為80°；蓄電池的極限溫度為55°；電機(jī)的極限溫度為90°；電機(jī)線束及電器盒的極限溫度為80°。

3.1 格柵進(jìn)氣量的計(jì)算

空氣通過前格柵進(jìn)入CRFM（condenser，radiator，fan power train cooling module），然后進(jìn)入前艙，這是降低前艙各零部件的最主要途徑。所以，通過CRFM的空氣量是保證前艙溫度場(chǎng)的重要因素。

本文通過CFD仿真軟件，模擬分析進(jìn)入格柵的空氣流動(dòng)。通過計(jì)算得到進(jìn)入CRFM的空氣質(zhì)量流量。

4 CFD仿真分析

4.1 引流板的兩個(gè)狀態(tài)

空氣從格柵進(jìn)入前艙后向CRFM及其周邊同步流動(dòng)，在CRFM周邊形成渦流甚至是回流，降低空氣的有效利用率。為了減輕上述渦流、回流的現(xiàn)象，提高空氣有效利用率，本文提出增加一引流板裝置，使氣體不流向CRFM兩側(cè)，來改善渦流和回流現(xiàn)象。該引流板裝置通過六個(gè)安裝點(diǎn)分別于前防撞梁、前保、水箱上橫梁相連，見圖1。

1-CRFM 2-引流板（左右兩片）

4.2 整車模型

對(duì)整車及其所處的環(huán)境進(jìn)行有限元模型搭建。由于整車模型過于復(fù)雜，在盡可能保證模型特征細(xì)節(jié)及計(jì)算精度的前提下，為了減少計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本次分析對(duì)模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化處理。如省略了部分緊固件、管線路等。由于本次分析只涉及到前艙內(nèi)流場(chǎng)及整車外流場(chǎng)的耦合計(jì)算，所以將駕駛艙內(nèi)的內(nèi)飾全部省略，并將汽車駕駛艙完全封閉，避免空氣滲入對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。

對(duì)計(jì)算域的搭建。整個(gè)計(jì)算域模型為長(zhǎng)：65m，寬：16m，高：12m，的密閉矩形空間。經(jīng)過網(wǎng)格搭接，整車模型共計(jì)3760w網(wǎng)格，如圖2。

圖2 整車計(jì)算域

4.3 邊界條件的設(shè)定

對(duì)模型邊界條件進(jìn)行定義：

1）環(huán)境溫度為40℃；

2）車輪為旋轉(zhuǎn)壁面；

3）風(fēng)扇為MRF，2000rpm；

4）對(duì)整個(gè)CRFM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定：

a）定義冷凝器的慣性阻力系數(shù)為178.23kg/m4；粘性阻力系數(shù)為683.87kg/m3·s；

b）定義散熱器的慣性阻力系數(shù)為163.65 kg/ m4；粘性阻力系數(shù)為658.19 kg/m3·s；

c）定義風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使模型中空氣從車外往車內(nèi)流動(dòng)。定義域中的空氣流速，分別為：60km/h、90km/h、110km/h。

模擬三個(gè)不同流速的空氣的流動(dòng)情況。

4.4 仿真結(jié)果分析

對(duì)于前艙溫度場(chǎng)的評(píng)估，本次仿真分析主要監(jiān)測(cè)了冷卻風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、蓄電池、電機(jī)、電機(jī)線束、電器盒等零件的溫度值，并對(duì)流進(jìn)冷卻模塊的空氣進(jìn)行流場(chǎng)分析。

分析的兩個(gè)模型為，整車狀態(tài)未添加引流板和整車狀態(tài)添加全引流板。分析的工況為：a）空氣流速60km/h；b）空氣流速90km/h；c）空氣流速110km/h，兩個(gè)模型總計(jì)6個(gè)工況。

如圖3為未加引流板60km/h狀態(tài)下工況。機(jī)艙車輛中心對(duì)稱平面Y=0m處和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面溫度分布云圖，由圖得知，機(jī)艙內(nèi)的平均溫度在110℃左右。

表1 各零部件溫度

所檢測(cè)的零部件溫度情況如表1，其中冷卻風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩、雷區(qū)風(fēng)扇電機(jī)、蓄電池、電機(jī)線束、電器盒的溫度均超出了極限溫度，其中蓄電池的溫度為110℃高出極限溫度55℃。

圖4為未加引流板60km/h狀態(tài)下工況。機(jī)艙車輛中心對(duì)稱平面Y=0m和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面速度分布圖。從圖中可看出：空氣從格柵進(jìn)入前艙后，并未全部進(jìn)入散熱模塊，在冷凝器四周存在較為明顯的漏風(fēng)現(xiàn)象，同時(shí)形成了回流。這個(gè)狀態(tài)對(duì)前艙的流場(chǎng)非常不利。

圖4 機(jī)艙截面速度分布圖

如圖5，為整車狀態(tài)添加引流板模型， 60km/h工況。機(jī)艙車輛中心對(duì)稱平面Y=0m和格柵及引流板搭接處地面法向Z=0.8m處位置的截面速度分布圖。對(duì)比圖2，可發(fā)現(xiàn)：添加引流板后，在無引流板的情況下所產(chǎn)生的回流及漏風(fēng)情況，如CRFM下端區(qū)域及CRFM兩側(cè)，得到了較為明顯的改善。

圖5 機(jī)艙截面速度分布圖

此時(shí)各零部件溫度情況得到了大幅的改善，如表2：

表2 各零部件溫度

監(jiān)控通過冷凝器的空氣質(zhì)量流量結(jié)果如表3：

表3 空氣質(zhì)量（kg/s）

對(duì)比空氣流速相同空氣流速狀態(tài)下，可明顯地發(fā)現(xiàn)有引流板的狀態(tài)下，通過冷凝器及散熱器的空氣質(zhì)量流量比無引流板的狀態(tài)要大；將相同空氣流速狀態(tài)下增加全引流板的空氣質(zhì)量減去無引流板狀態(tài)的空氣質(zhì)量，得到δ空氣質(zhì)量流量如表4：

表4 δ空氣質(zhì)量流量（kg/s）

對(duì)比δ空氣質(zhì)量流量，可直觀地發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空氣流速也就是汽車的行駛速度越快時(shí)，增加引流板對(duì)冷卻模塊的進(jìn)氣量改善越大。

5 結(jié)論

本文針對(duì)前艙溫度場(chǎng)在汽車設(shè)計(jì)過程中無法達(dá)標(biāo)的普遍現(xiàn)象，通過CFD仿真分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從引導(dǎo)氣體的流向等方面，對(duì)比不同氣體流速情況下前艙內(nèi)各零部件的溫度情況，來模擬汽車不同時(shí)速下的工況，前艙各零部件的溫度情況。結(jié)果表明，在格柵與CRFM之間增加引流板，可以有效地減少進(jìn)入前艙的空氣回流、漏風(fēng)、湍流現(xiàn)象，大大地提升了氣體的利用率。該文章對(duì)新車型或是改型車的前艙溫度場(chǎng)改善具有重要的參考意義。

[1] Fortunato Francesco, Damiano Fulvio, Matteo Luigi Di, etal. Under -hood Cooling Simulation for Development of New Vehicles[C]. SAEPaper2005-01-2046.

[2] AndraR,KumarK,HyptopoulosE.The Effect of Boundary and Geo -metry Simplification on the Numerical Simulation of Front-end Cooling[C].SAEPaper980395.

[3] 李毅.電子風(fēng)扇與散熱器距離匹配地試驗(yàn)研究[J].汽車工程,2009.

[4] 趙駱偉,張毅,俞小莉.車輛散熱器組散熱特性研究[J].機(jī)電工程, 2006(8).

[5] 蔣光福.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性研究[J].汽車科技,2006(5).

[6] 賈青,陳佳萍,楊志剛.基于氣動(dòng)減阻和散熱需求的主動(dòng)格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020(02).

Research on instrument cluster design for vehicles based on ergonomics

Wei Chun

( Modern Automobile Co., Ltd., Shanghai 200040 )

Introduces the analysis process of the temperature field improvement by the front cabin deflector. In view of the situation that the temperature field of the front cabin does not meet the standard during the design of a project, the proposal to increase the front cabin deflector is proposed. Through the CFD（Computational Fluid Dynamics）analysis and comparison, after adding the front cabin deflector, the temperature field of the front cabin and the temperature of the main components have improved significantly, and the utilization rate of airflow into the front cabin is maximized, which solves the problem that the temperature field of the front cabin is difficult to reach the standard during the development of the entire vehicle.

Deflector; CFD; Temperature field; Finite element analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.039

U467

A

1671-7988(2021)03-129-04

U467

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1671-7988(2021)03-129-04

魏淳，就職于摩登汽車有限公司。