汽车前端冷却模块流场模拟与试验研究

潘乐燕*

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，201804）

汽车前端冷却模块流场模拟与试验研究

潘乐燕*

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，201804）

本文利用CFD分析与风洞测试两种手段对整车前端冷却模块气流场进行分析验证，通过对4个车速即（20、50、90和110）km/h下的15个测点的气流情况进行分析得出，CFD分析与试验结果十分吻合，计算值与试验值的误差在可接受的范围内。本工作验证了CFD分析的准确性，对于整车前端冷却模块流场的考察完全可以用CFD模拟代替试验，节省开发费用，对整车开发有重要的指导意义。

冷却模块 CFD模拟 风洞试验

1 前言

随着近年汽车工业的迅猛发展，整车厂面临的竞争越来越激烈，如何尽快推出新产品缩短开发周期已经成为赢得市场的关键因素，CFD技术的出现使得这种快速开发成为可能。近几十年随着计算机技术的发展，CFD技术被越来越多的应用到了汽车设计中，通过在各设计阶段的CFD模拟分析的介入，可以及时验证设计，同时帮助优化设计方案，缩短开发周期，节约开发成本。目前CFD技术已经应用于汽车设计开发过程中，但是与项目的参与程度低，支持项目开发的可信度有待进一步验证。

本文通过对某款车型在4个不同车速下（20km/h、50km/h、90km/h和175km/h）进行三维整车前端流场分析，同时结合整车风洞测试结果进行对照，分析比较了模拟计算与试验结果的异同，由此得出模拟计算可以很好的用于造型验证与改型，代替试验，节省开发费用。

2 三维计算模型

2.1 基本理论

本文中整车发动机舱的气流模拟选用Fluent求解器，Fluent软件已十分成熟而且应用广泛，包含所有的求解方程，可以直接得到计算结果也可以进行后处理。选用K- 不可压湍流模型进行稳态计算，差分格式为二阶迎风格式，隐式解法，残差曲线判定精度为1.0e-6。在求解初始化时，将三个方向的初始速度设为零。

2.2 建立模型

将整车CAD模型导入ANSA中进行几何处理，建立求解域。尺寸为：车前2倍车长，车后3倍车长，两侧各2倍车宽，计算域高度为3倍车高。将面网格导入TGrid生成体网格，最后将生成的体网格读入Fluent中求解计算，见图1。

图1 整车网格模型

2.3 边界条件的设定

计算域进口：选用速度进口边界，分别设定为5.56m/s、13.89m/s、 25m/s和48.61m/s，相当于风洞试验（20、50、90和175）km/h车速；

计算域出口：出口设为压力出口边界；

风扇模型：选用Fluent自带风扇模型，通过风扇试验数据拟合二次曲线，得出多项式系数，风扇布置在左侧（从车头方向看去）；

换热器模型：多孔介质，域内阻力系数由相关换热器的试验数据整理得出，本车型包括冷凝器、散热器，布置方式见图2，前端为冷凝器，后端为散热器；流动介质：空气，温度为25℃，密度为1.205kg/m3。

图2 前端冷却模块

2.4 散热器计算区域划分

将散热器按照面积等分为30个小区域，划分情况见图3中所示30个方形区域，M1到M15为与试验测试对应的区域。

图3 散热器计算模型取点

3 试验模型

本试验选择在同济大学地面交通工具风洞中心进行，试验环境温度为10℃，一个标准大气压，通过调节试验舱内转毂转速模拟车辆运动，同时调节风洞出口风速模拟车速。选用高精度风速仪测试散热器前端空气流速，该风速仪的测量精度为+1%，可以测量风速方向，测试值为负代表此处有回流。调整风速仪框架以达到与散热器同样的尺寸大小，由于风速仪接线以及布置空间的限制，同时考虑计算区域的划分情况，将风速仪按照图4进行布置。由于冷凝器布置在散热器前端上部，M13到M15三个风速仪在冷却模块中的位置如图5所示（从车头方向看）。

图4 风速仪布置图

图5 M13、M14、M15布置图

4 结果分析

4.1 散热器风速分布趋势对比

提取计算与试验结果，以车速90km/h为例分析风速分布情况。

流经散热器的模拟风速如图6所示，试验结果如图7所示。图6是流经散热器的风速分布图，左侧色卡代表风速大小（X方向，单位：m/s），右侧为散热器表面的风速分布。M1受边缘无风扇的影响风速低于M2，而高于M3（M3位于风扇轮毂区域）；由于风扇布置在左侧，M5、M6、M12风速都很低，其中M12靠近下部无冷凝器区域属于三者最高；M9位于风扇轮毂处，风速低于周围区域；也由于轮毂的影响M13的风速低于M14而高于M15；M13、M14、M15前端没有冷凝器，故风速均高于其他监测点。

通过将计算与试验的结果（图7所示）对照分析可以得出，两者风速分布完全吻合，大小趋势十分一致。

4.2 风速平均值分析结果

由于试验风速仪（见图4）所测为圆形区域平均风速，而计算结果为方形区域的平均风速，为了消除统计面积对风速值的影响，对15个监测区域求平均值。由于M1～M12位于冷凝器与散热器之间，故将此12个值求平均，将计算值与测试值对照分析，见图8。同样，将M13、M14和M15求平均值，见图9。

由图可知，在四个不同车速下，前12个点的计算值与试验值能够很好的吻合，20km/h时误差最大，仅为5.6%。M13～M15三个区域的平均值误差在高速175km/h时稍大些，达到了11.7%，其他车速时误差均小于10%。

图8 M1～M12平均风速

图9 M13～M15平均风速

5 结论

本文通过对4个车速（20、50、90和110）km/h下15个监测点的气流情况进行分析，得出结论如下：（1）对于流经散热器的空气速度分布趋势，以车速90km/h为例进行分析，计算与试验结果完全吻合，大小趋势一致性很好；（2）对于风速大小，在四个不同车速下，前12个点的计算值与试验值能够很好的吻合，车速20km/h时误差最大，仅为5.6%，M13～M15的平均值误差在车速175km/h时稍大些，达到了11.7%，其他车速时误差均小于10%，均在可接受的范围内。本工作通过将试验与计算结果进行对比分析，验证了CFD分析的准确性，对于整车前端冷却模块流场的考察完全可以用CFD模拟代替试验，节省开发费用，对整车开发有重要的指导意义。

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Simulation and experiment study of vehicle cooling module performance

Pan Leyan
（SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804）

CFD simulation and CWT test results of vehicle cooling module air fl ow performance are presented. The analyzed results of 15 measured points fl ow data under four vehicle speeds（20、50、90 and 110）km/h show that the results of the simulation are very closely to the test results and the error is within permissible limits. This work verif i ed the accuracy of CFD analysis. It is of important signif i cance on vehicle development because the CFD simulation can replace the vehicle cooling module fl ow test totally so as to save developing cost.

cooling module；CFD simulation；CWT test

*潘乐燕（1974-），女，工程师，高级经理，主要从事汽车发动机冷却及空调的设计及科研工作。联系地址：上海市嘉定区安研路201号，上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，邮编：201804，电话：021-61388274，电子邮箱：panleyan@saicmotor.com