某SUV车型发动机舱CFD仿真计算与优化

朱晴　陈群　张艳芳　侯亚邦

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

某SUV车型发动机舱CFD仿真计算与优化

朱晴陈群张艳芳侯亚邦

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

【摘要】汽车的动力性和燃油经济性直接受发动机舱散热效率的影响。针对某款SUV车型开发设计初期发动机舱内气体流动状况进行三维CFD仿真计算，发现从整车格栅外侧流入发动机舱的气体在机舱顶部与底部泄漏严重，同时出现热回流现象。针对该问题提出3种改进方案，在考虑方案实施复杂程度、舱内空间尺寸和改善效果的情况下对3种方案的可行性进行仿真对比分析，得出方案2改进效果最优。

1　前言

汽车发动机舱是一个半封闭的空间，舱内结构布置非常紧凑，散热比较困难。在新车型开发过程中，如果前期未充分考虑发动机舱部件总成布置对机舱内气流分布的影响，容易形成冷却空气回流，且循环加热造成机舱整体或局部温度过高[1]。有文献研究表明，汽车的动力性和燃油经济性直接受发动机舱散热效率的影响[2,3]，若发动机舱内温度过高，会使冷却水温升高，发动机燃烧效率下降，导致汽车动力性和燃油经济性大幅下降。高温还会使发动机舱内零部件的可靠性降低，甚至局部高温还可能导致汽车自燃，造成生命财产损失[4、5]。因此，对汽车发动机舱内空气流动和散热性能的研究就愈显重要。

本文针对某新开发SUV车型的发动机舱内气体流动进行三维CFD仿真，分析舱内空气流动与热环境状况，并根据存在的问题提出优化方案。

2　计算模型与计算方法

2.1计算模型

汽车发动机舱内部件排布紧密且结构复杂，为了能够得到比较准确的仿真结果，仿真所用模型为1∶1的全尺寸三维汽车模型，模型中完全保留发动机舱内的所有关键部件，且车身、底盘等部件也尽量保持真实结构特征。该车型前端冷却模块布置方式为CRFM形式[6]，即冷凝器、散热器和风扇按序排列的形式，此外低温散热器布置在冷凝器下部。同时，为简化计算，适当省去电子线束、空调管路等对流动影响较小的细小部件，仿真模型如图1和图2所示。

2.2三维模型计算域及网格划分

由于气体在汽车发动机舱内的流动受到外流场的影响，因此采用适用于外流场的计算域，三维计算域模型如图3所示。为了提高计算精度，确保计算稳定和加快计算收敛，依据流场在各区域变化程度的不同，对体网格按区域进行不同程度的细化，并将整车生成边界层，使用Star ccm+中Trim网格形式生成体网格，数量约为1 200万。计算模型中截面网格如图4所示。

图1　整车模型

图2　发动机舱内部模型

图3　三维计算域模型

2.3计算边界条件

计算域入口采用速度入口，出口采用压力出口，压力为标准大气压。换热器包括高温散热器、冷凝器、低温散热器，采用多孔介质模型来模拟气流在其厚度方向的压力降，阻尼系数通过试验数据拟合获得。风扇采用双重参考模型（MRF）方式处理。

3　计算结果分析

仿真计算主要在4种典型热平衡工况下进行，具体工况如表1所列。

3.1换热器入口面上速度分布

3.1.1高温散热器入口面上速度分布

4种工况下高温散热器入口面上速度分布如图5所示。

图5　4种工况高温散热器入口面上速度分布

从图5可以看出，随着车速增大，高温散热器入口面上速度也相应增大，但受单风扇结构及冷却模块布置位置的影响，该散热器进口速度分布不均匀，边缘有低速区，下部有高速区。另外，在怠速工况下，由于主要气流来自风扇的抽吸作用，因此速度较低。

3.1.2冷凝器和低温散热器入口面上速度分布

4种工况下冷凝器与低温散热器入口面上速度分布如图6所示，其中上部分为冷凝器，下部分为低温散热器。可知，由于受上、下格栅形状及冷却模块位置的影响，冷凝器与低温散热器入口面上速度分布都很不均匀，冷凝器中间有高速区，低温散热器中间有低速区，且怠速工况下速度也较低。

图6　4种工况冷凝器与低温散热器入口面上速度分布

3.2机舱内流场分布

工况1y=0对称面上速度分布矢量图如图7所示。怠速工况高温散热器出口流线如图8所示。

图7　工况1y=0对称面上速度分布矢量图

图8　怠速工况高温散热器出口流线

由图7可知，通过上格栅进入机舱的气体，一部分进入前端冷却模块对散热部件进行冷却，另外一部分沿着机舱上部向后流动；通过下格栅进入机舱的气体，一部分进入冷凝器和低温散热器对其进行冷却，而大部分气体从机舱底部和两侧向后流动，其中一部分从低温散热器下部流过进入高温散热器下部，当车速增大时，这种趋势有所下降。换热器的进气来源主要为上格栅的两个下进气口和下格栅，当车速较低时，会有机舱后部的气体回流至换热器前。这是由于车辆在低速行驶时，风扇对空气的流动起很大作用，空气在风扇的抽吸作用下通过进气格栅流入发动机舱内。

机舱对称面压力分布如图9所示。

图9　机舱对称面压力分布

由图9可知，气流经过冷凝器和散热器后温度升高，冷却模块后方温度高于前方，且由于风扇的压升作用，冷却模块后方形成一个高压区，高温气流从风扇后方温度和压力较高的区域绕过冷却模块，流向冷凝器前方温度及压力较低的区域。而当车速较高时，风扇的压升作用会减弱，冷却模块前后压差降低，基本不存在热空气回流再次进入冷却模块的情况。此外，进气格栅内侧压力会低于外侧压力，压差对外界空气流入格栅有推动作用。在怠速工况时，由于存在回流，使冷却模块前方空气温度较高，压力也有所升高，导致格栅内外侧压差减小，对格栅进气的推动作用减弱，使格栅进气量减少。

由于单风扇结构及格栅进风角度的影响，冷凝器、高温散热器和低温散热器的进口速度分布不均匀，长时间工作会使其寿命降低。气体从格栅进入机舱时，一部分进入前端冷却模块，另一部分从机舱上部、下部及两侧流向后方，并没有对高温部件起到冷却作用。热空气回流会导致流入冷却模块的冷空气流量减少，被加热的高温气体再次进入散热器，导致散热量减少，散热器散热能力不能满足要求，严重影响发动机舱的散热性能。

3.3排气侧流场分布

发动机排气侧表面速度分布如图10所示。可知，热负荷高的区域气体流速相对较高，排气管隔热罩及油底壳周围的气体流速接近于4 m/s，基本满足设计要求。

图10　发动机排气侧表面速度分布

4　优化方案

对原车型进行一维冷却系统计算分析，发现工况1有超温现象，因此需要对原车型进行改进优化。根据原车型发动机舱内流场分布和结果分析，提出将单风扇结构改成双风扇结构，适当调整前格栅进风角度，也可以在前端冷却模块周围加装挡风板进行密封，或者将冷却模块尺寸增大以增加换热能力和空气流量等优化方案。

综合考虑成本、技术复杂程度、空间尺寸和改善效果，决定采用加装挡风板和增大冷却模块尺寸两种改进措施，并对改进方案进行新一轮的仿真计算分析。两种改进措施的设计方案如图11～图13所示，其中方案1是在高温散热器两侧、低温散热器两侧和底部加装挡风板，其中高温散热器加装的为两细条平行挡风板，低温散热器底部挡风板与下格栅区域相连，两侧的挡风板距离车身前端进气格栅有一定距离；方案2是在冷却模块上部、两侧和底部都加装挡风板，且顶部与底部的挡风板与进气格栅区域相连接；方案3是增大高温散热器和风扇尺寸，且由于其它参数需求，下格栅进风面积有所减小。

图11　方案1

图12　方案2

图13　方案3

5　优化结果分析

5.1优化后机舱流场分析

分别针对4种典型工况对改进后的3种方案进行仿真计算，以工况1为例（热负荷最苛刻），其对称面的速度分布云图如图14～图17所示。

图14　原车型对称面速度分布

图15　优化方案1对称面速度分布

图16　优化方案2对称面速度分布

图17　优化方案3对称面速度分布

由图14可以看出，气流从机舱上部与底部泄漏严重，导致进气利用率较低。由图15～图17可知，方案1尽管上部气流仍有泄漏，但下部加挡风板后，从下格栅进入的气体一部分进入冷凝器，一部分进入低温散热器，还有少部分绕过低温散热器流入高温散热器；方案2上部与下部都加挡风板后，从格栅进入的气体基本全部进入前端冷却模块，进气利用率较高，散热能力较强，但局部有小漩涡出现；方案3中显示虽然上部与下部仍有气体泄漏，但由于散热器和风扇尺寸都加大，所以前端冷却模块的进风量仍有所增加。

5.2优化后换热器与格栅进风量分析

工况1不同位置进风量如表2所列。

表2　工况1不同位置进风量　kg/s

从表2可以看出，高温散热器与冷凝器的进风量是依次增加的，说明3种改进方案均有改进效果。由于方案3中下格栅进风面积减小，所以导致方案3中低温散热器与下格栅进气量有所减少；方案2中上部与下部均有挡风板，使得从格栅进入的气流都要流经换热器，进气利用率较高，但气流的通畅性较差，导致格栅内外压差减小，所以格栅的进气量与原方案和方案1相比有所减小，并容易出现漩涡。

5.3优化后换热器进风温度分析

工况1不同位置进风温度如表3所列。

表3　工况1不同位置进风温度　℃

由表3可知，从原方案到方案3，高温散热器进风温度是依次降低的；方案3中下格栅进风面积减小，所以低温散热器与冷凝器进风温度稍有升高，但升高幅度不大。

5.4优化后格栅进气利用率

汽车前端的结构变化会引起格栅进气量以及进入冷却模块的空气流量发生变化，因此引入格栅进气利用率来评价发动机舱散热性能。格栅进气利用率定义为经过高温散热器的空气占由格栅进入空气的比值。

4种方案不同工况下格栅进气利用率如表4所列。

表4　4种方案不同工况下格栅进气利用率　%

从表4可以看出，同种工况下，不同方案利用率是逐渐升高的，说明改进效果明显。

对于3种改进方案，从换热器进风量、进风速度和进风温度3个方面考虑，方案2和方案3改进效果显著，但方案3将散热器和风扇尺寸加大，并不能阻挡热空气回流至冷却模块，还会消耗能量，增加噪声，所以综合考虑方案2为最优。

6　结束语

通过在4种典型工况下对某SUV车型发动机舱内流场进行三维CFD仿真模拟，分析了发动机舱内的气体流动情况，得出以下结论：

a.原始模型中气体从格栅进入后一部分流过前端冷却模块进行冷却；一部分从机舱上部、底部与两侧向后流动，泄漏严重。在怠速工况下，机舱内有冷却空气回流现象。

b.冷却风扇在车速低时工作效果明显，而车速高时工作效果较差。

c.针对原始模型存在的问题，提出3种改进方案并对其进行仿真计算分析。综合考虑得出方案2最优，改进效果显著。其在热负荷最为苛刻工况下，高温散热器进风量提高了9 %，高温散热器进风速度提高了10 %，入口风温降低了6 %，格栅进气利用率也从40.07 %提高到51.12 %。

参考文献

1 Ashok Patidar, Umashanker Gupta, Nitin Marathe. Optimiza⁃tion of Front End Cooling Module for Commercial Vehicle Using CFD Approach. SAE Paper 2013-26-0044.

2袁狭义，谷正气，杨易，等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析.汽车工程，2009，31（9）：843～847.

3Francesco Fortunato,Fulvio Damiano,Luigi Di Matteo etal. Underhood Cooling Simulation for Development of New Ve⁃hicles. SAE Paper 2005-01-2046.

4 Ales Alajbegovic, Bing Xu, Alex Konstantinov ,etal. Simula⁃tion of Cooling Airflow under Different Driving Conditions. SAE Paper 2007-01-0766.

5 Vivek Kumar，Sachin A Shendge. Underhood Thermal Simu⁃lation of a Small Passenger Vehicle with Rear Engine Com⁃partment to Evaluate and Enhance Radiator Performance. SAE Paper 2010-01-0801.

6 Suvankar Manna,Yogendra Singa Kushwah. Optimization of a Vehicle Under Hood Airflow Using 3D CFD Analysis. SAE Paper 2015-01-0349.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年11月1日。

Underhood CFD Simulation and Optimization of a SUV

Zhu Qing, Chen Qun, Zhang Yanfang, Hou Yabang （China FAW Co., Ltd R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】Vehicle dynamic property and fuel economy are directly affected by underhood heat dissipation efficiency. In this research, underhood air flow of a SUV is simulated with 3D CFD software in the early development stage, and the air which flows into underhood from out of vehicle grille is found leak seriously at the top and bottom of underhood, and thermal reflow also arises. For this issue, three modifications are put forward, whose feasibilities are simulated, compared and analyzed with consideration of complexity of implementation, compartment space dimensions and improvement effect, and it is concluded that modification 2 has the best effect.

Key words:SUV, Underhood, Flow field, Numerical simulation, Optimization

中图分类号:U464.1

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0001-05

主题词:SUV车型发动机舱流场数值模拟优化