汽车空气阻力和散热性能的仿真及优化

章林凤

（北汽福田汽车股份有限公司 集团产品规划本部，北京 102206）

在当今中国汽车市场，消费需求不断升级，国家的排放法规政策也越来越严格，对于整车在价格、性能、可靠性、舒适性、燃油经济性、加速性、售后服务的及时性、低使用成本等方面的要求越来越高。空气阻力［1］是影响燃油消耗主要因素之一，所以最大限度地减小整车空气阻力是降低油耗的有效方法，降低油耗的同时也能减少排放并降低使用成本。但这会降低散热系统冷却空气流速，即影响整车散热性能，整车将无法满足在高温环境下的作业。

本文介绍的国内某自主品牌卡车开发项目，在产品实车性能测试阶段，发现整车油耗及散热系统水温偏高，难以形成产品竞争力。最后通过仿真分析，对整车驾驶室顶部导流罩和发动机舱的形状进行优化设计，减少了空气阻力，同时大大降低整车散热系统的水温，提高了产品竞争力。本文中采用的PowerFLOW分析软件是多年以来汽车行业中空气动力学的标准工具［2-4］，拥有全面的、成熟的热分析能力，其发动机散热性能的仿真精度在以往的成功案列已被证实［5-7］。

1 仿真数学模型

流体仿真使用格子玻尔兹曼方程（LBE）算法进行。这种方法在文献［8，9］中有大量详细描述，这里作简要的概述。

从动力学理论出发，玻尔兹曼方程描述了一种代表性的颗粒以及它们如何演变为流体。玻尔兹曼方程可以写成下列形式，见式（1）：

式中：f为速度的概率分布函数；θ为碰撞算子。

在一个格子的形式中，这样的方程可以表示为代数方程组的每个状态的概率分布fi：

一个格子BGK碰撞项：

式中：τ为弛豫时间和为格子平衡态分布函数，用速度表示为［10］：

通过定义速度分布函数，液体动力学变量例如密度和速度可以写为：

通过所有i状态碰撞项求和等于零，LBE进行质量和动量守恒：

使用修改后的基于原始的RNG公式K-ε模型建立湍流效应模型[11，12]：

这基于湍流模型的LBE，传递出流动历史和上游信息，并包含考虑非线性雷诺应力的高阶项［13］。通过解决下面的偏微分方程，评估在温度中的变化：

通过修改LAX-Wendroff格式的时间有限差分等来求解湍流和温度方程。

2 仿真几何模型

开发facetized格式的卡车几何模型。此几何模型是来自车辆的CAD模型，用于空气动力学以及热学仿真。为了达到最大精度的目的，图1为卡车几何模型。

3 仿真的边界条件

3.1 仿真优化工况

空气动力性能和散热性能仿真优化工况如下：

a）发动机散热系统性能极限工况：以风扇转速为3 200 r/min、车速13.3 km/h进行；

b）空气动力学性能工况：以车速100 km/h进行仿真计算。

仿真是基于车辆三维模型，仿真分析结果采用设计优化后理论分析数据和试验数据进行比较判定。

3.2 数字风洞设置

将facetized格式的几何模型放入数字风洞中，数字风洞带有边界条件和更多工况参数，如指定的工作条件和热交换性能等。数字风洞是用来重现公路行驶条件，即非常低的障碍和完全移动的地板。因此，卡车的车轮设置为一个旋转的面体边界条件。

3.3 冷却模块安装

冷却模块安装由中冷器及散热器两个热交换器组成，这两个热交换器用多孔介质建模。对于热仿真，来自冷却液流动的热量和交换到空气中的热量通过“PowerCOOL”加入耦合。零部件供应商提供的冷却器压降特性以及热的特点，分别如图2和图3所示。

散热性能仿真使用的风扇模型为完整的几何形状，风扇是带有风扇转速的模块化模型。在空气动力学仿真中，风扇几何模型已被删除，且除去风扇的影响，通过对风扇模型的内部线删除来实现。

表1 CFD模型的工况

4 整车空气阻力的仿真及优化

整车的总体空气阻力是影响空气动力性能的主要参数。然而，除了用总体空气阻力数据外，也可以充分利用流场数据，研究环绕整个卡车的空气流动行为，进行阻力的细化、量化描述，来指导设计优化。图4显示：优化前，导流罩的初始设计没有足够的停滞区来转移空气流量，达到避免汽车货厢前方空气存在的目的；除了大型高压区，在驾驶室顶上方的流动显示了一个大的分隔区，导致显著的总压力损失；此外，还有部分高压空气流量流入驾驶室后端和车厢之间的间隙。

在综合分析结果的基础上，需要重新设计一概念车顶导流罩。基于审美造型因素，重新设计的车顶导流罩高度不得超过原车顶导流罩，最好解决办法是设计一种更加陡峭的导流罩角度。

图5中的概念分析表明，优化后重新设计的车顶导流罩以一种更好的方式转移空气流动。因此卡车货厢前方的空气停滞、车顶上方及高压空气流量流入间隙大部分得以避免。表面压力显示，关于车厢前方的角落部分，仍然有一些需要特别优化的潜力，这需要微调的车顶导流罩形状。

相对于原车，通过优化后设计变更获得减少阻力约14%。

由图6可见：驾驶室本身的阻力实际上是增加的，这是由于车顶导流罩角度较陡，造成更高的压力。显然，车厢前方压力较低，其中基线显示风阻进一步增加，而优化修改后的设计风阻显著减少。

基于这些结果，采用两种车顶导流罩装车，进行道路试验燃油消耗测试数据显示，优化后的设计带来7%左右燃油效率的提高，占风阻降低效率的一半。这与卡车燃油效率研究的结果非常一致，即动力的50%～60%用于克服高速行驶时的空气阻力［1］。

表2为同一底盘不同高度货厢车型外流场分析。可以看到，相对于原车，无论哪一种车顶导流罩设计，车厢前方上都有较大的空气流体冲击。流体离开导流罩更多地冲向车厢，导致车厢前部的压力更高。尽管如此，导流板优化设计依然贡献了9.1%的改善。

表2 标准化风阻对比 %

5 整车散热性能的仿真及优化

这部分工作涉及的主要参数是散热器进口冷却液温度、中冷器出口温度以及冷却空气流速。所有的数值分析，在相同的车辆运行工况下（见表1）进行。基准（原车）的仿真结果显示冷却液温度明显高于设计目标，如表3所示。在高温恶劣的工况下运行，整车散热性能测试结果数据显示无法满足性能目标要求。

表3 基准仿真结果和冷却性能目标对比

表4 测量数据和CFD预测数据

从发动机窗流场的详细分析可以看出散热性能不足的几个原因。如图7所示，冷却模块左、右侧有显著的热流量再循环以及散热模块内逆向流动。此外，风扇罩内的气流量再循环，阻塞了通过散热器的空气流动的途径，因此导致散热性能较差的主要原因是发动机窗、风扇护风罩的形状设计。

从分析看出：在冷却模块的侧面、顶部和底部，增加防止空气流再循环的隔板，可以改善冷却模块的散热性能。比较表3和表4，这个简单的优化设计增加隔板方案确实显著降低进入冷却模块空气的温度，实现了散热器顶部水室温度降低效果，散热器不会过热并保持车况稳定。从表4可以看出，测得的数据与计算结果吻合良好。

因为在道路行驶测试工况下没有非常精确的控制测试条件，以及考虑散热器性能的不稳定性，保留2℃设计余量。如果能在精确定义工况下进行仿真分析，可以减少这种设计余量。增加隔板方案实施后，进行仿真。图8和图9表明在冷却模块中仍然存在反向流动和漩流问题。因此，进行更多仿真分析用来解决这些问题，寻求全面优化的可行性方案。

为了实现进一步清除仍然存在的少量逆向流动和部分漩流，需要全方位的仿真优化且保留冷却模块散热余量，以保证未来更严格的排放法规或发动机性能的升级。

附加迭代设计：将风扇导流罩（护风圈）结构及风扇尺寸进一步优化。散热器上水室温度最终可以达到84.1℃，大大低于目标。对于这样的结果，在散热量增加40%的工况负荷下，完成了最终的数字测试，且散热器顶部的水室温度也仍然没有超过目标。道路测试水温数据显示，对于无论是以后整车更换更大动力发动机或减排，优化的散热模块也能有足够的散热能力来满足散热量增加的需求。

表5为所有热仿真结果的汇总。进一步优化风扇导流罩（护风圈）流体分析，显示完全除去了空气反向流动，同时护风罩内空气涡流也大大减少，如图10所示。

表5 所有方案散热器和中冷器有显著改善的热仿真结果汇总

6 结论

仿真优化后，整车的空气阻力减少14%，降低油耗7%左右；散热器出水温度降低了37.2℃，进水温度降低31℃。数据表明，在较短的时间内，卡车的空气动力性能和散热性能都显著的改善。同时，让我们很好认识和理解流体细节，并以非常可控方式减少了相当程度不利的空气流动现象，取得了良好的效果。

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