基于CFD的客车进气格栅布置优化分析

2018-04-10张弘韬韩继斌叶欢王浩闫伟

内燃机与动力装置 2018年1期

张弘韬，韩继斌，叶欢，王浩，闫伟

(1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南　250061；2.山推工程机械股份有限公司，山东济宁　272073)

引言

客车在行驶过程中，发动机产生大量的热量，如果散热不及时，整个动力舱都会处于高温状态,在这样恶劣的环境下，不仅客车性能下降，而且相关零件容易损坏，因此动力舱热管理系统的良好运行就变得尤为重要。进气格栅不仅可以为发动机运行提供进气，而且对动力系统和空调系统的散热也起着重要作用[1]。有研究表明，通过进气格栅的空气能带走30%的热量[2]。而进气格栅的不同布置会有不同大小的风阻和压降，对进气效果和质量产生影响，从而影响动力舱的热管理性能[3]。

对于不同布置的进气格栅内外侧的压降分析，如果采用传统的试验方法，不仅成本高昂，时间周期长，而且难以准确测量。所以本文采用基于计算流体力学(CFD)的仿真方法[4]。用Fluent软件对该客车模型进行了三维计算分析，对横向格栅、竖向格栅和两侧格栅三种布置分别进行计算和对比，发现在相同风扇转速和相同车速下，竖向格栅的内外侧压降要比其他两种格栅布置的内外侧压降小。

1　物理模型及网格划分

某客车的三维仿真分析模型由几部分组成：客车车体、车轮、发动机舱、位于车后部的进气格栅以及后视镜等。该客车的主要参数见表1。

表1　客车的整车参数

对计算所要涉及的整个流体区域进行网格划分，利用Hypermesh、ICEM CFD等前处理软件，对模型进行局部加密等处理后，最后生成的网格模型如图1所示[5]。因为分别采用了三种布置，所以进气格栅的网格数量有一些差别，使得客车模型的面网格和体网格的数量不完全一样，但差别不大，生成的流体域面网格大约356万，体网格大约1 650万。风道体模型网格纵向截面如图1。

图1　模型风道体网格纵向截面

进气格栅的格栅类型以及分布方式对空气进入发动机舱后的流动和压降有着重要的影响[6]。该客车模型分别分析了横向进气格栅同侧布置、竖向进气格栅同侧布置和进气格栅两侧布置对发动机舱内流场的影响。由于进气格栅对发动机舱的流场分布的影响比较大，因此需要对进气格栅进行网格加密，细化网格之后，横向布置的面网格数为139万，竖向格栅的面网格为147万，两侧布置的面网格为154万。三种不同布置的进气格栅如图2所示。

图2　进气格栅网格模型

由于散热风扇的旋转会引起动力舱内流场变化，从而影响格栅内外侧的压力差，所以要对风扇的网格进行加密。

2　格栅压降分析

图3　整车三维压力变化图

为计算进气格栅处的压力损失和格栅内外流场，分析在比较恶劣的工况下客车的阻力，假设该车的运行速度为96 km/h，风扇停止工作，没有其他热源。客车压力变化见图3，可以发现客车前脸压力变化明显，产生了较为明显的压降。

在风扇低转速工况下，对三种布置的进气格栅内外压降进行计算。

图4给出了风扇处的前后两个横向进气格栅在低转速工况下的压力分布云图，可以看出因为散热风扇的转动以及进气格栅阻力，存在压力损失。对图4中格栅压力分别积分，计算出前后布置中，后方格栅内外两侧平均压差为6.69 Pa，前方格栅内外两侧平均压差为4.55 Pa。由于此时风扇的转速比较低，而且客车行驶速度不快，周围流场也不强，所以格栅处压力损失相对较小。

a)后格栅外侧　　　　　　　　　b)后格栅内侧　　　　　　　　　　　c)前格栅外侧　　　　　　　　　d)前格栅内侧图4　横向进气前后布置格栅压力云图

图5是客车散热风扇低转速工况下的竖向进气格栅前后布置的压力云图。对格栅压力分别积分，计算出前后布置中，后方格栅内外两侧平均压差为4.12 Pa，前方格栅内外两侧平均压差为1.23 Pa。

a)后格栅外侧　　　　　　　　　b)后格栅内侧　　　　　　　　　c)前格栅外侧　　　　　　　　　d)前格栅内侧图5　竖向进气前后布置格栅压力云图

图6为散热风扇低转速工况下进气格栅分别布置在两侧时的压力云图。对图中格栅压力分别积分，计算出前后布置中，后方格栅内外两侧平均压差为32.03 Pa，前方格栅内外两侧平均压差为0.71 Pa。

a)风扇处格栅外侧　　　　　　　b)风扇处格栅内侧　　　　　　　c)另一侧格栅外侧　　　　　　d)另一侧格栅内侧图6　客车进气格栅两侧布置格栅压力云图

在风扇低转速工况下，横向格栅前后布置和竖向格栅前后布置内外侧压降较小，而两侧布置中靠近风扇处格栅的压降比另一侧的要大很多，节流较明显。

为了探究在不同风扇转速、不同车速的情况下，不同类型和分布的进气格栅内外侧压降，需要确定每一种类型和分布的进气格栅前后格栅的计算表面位置，对这些表面的计算结果进行对比分析。对模拟所得的格栅压力图分别积分，计算出不同类型和分布的进气格栅内外侧平均压力损失。

2.1　横向隔栅布置压降

图7　横向进气格栅压力降随风扇转速变化曲线

图7是在散热风扇转速分别为0、1 446、1 928、2 300和2 658 r/min时横向进气格栅前后布置时，前进气格栅和后进气格栅的压降变化。

对计算结果进行对比分析，当散热风扇转速提高时，横向布置的前进气格栅和后进气格栅，其内外两侧压差呈增大的趋势，这是因为当散热风扇转速提高，进气格栅内侧面和散热风扇之间的负压区扩大，并且格栅本身对气流有阻力，使得进气格栅内外侧的压差增大。

2.2　客车两侧隔栅压降

图8　两侧布置格栅压力降随风扇转速变化曲线

图8是进气格栅两侧布置时在散热风扇转速分别为0、1 452、1 928、2 299和2 658 r/min时，靠近风扇侧格栅和另一侧格栅的压差变化。

对计算结果进行对比分析，当散热风扇转速提高时，靠近散热风扇侧格栅，其内外两侧压差呈增大的趋势，同样也是由于当散热风扇转速提高，进气格栅内侧面和散热风扇之间的负压区扩大，使得格栅内外侧的压差增大。而客车远离散热风扇的那侧格栅，由于几乎不受另一侧散热风扇影响，所以其内外侧的压降变化很小。

2.3　竖向隔栅压降与车速关系

图9　高转速工况下竖向格栅压力降随车速变化曲线

图9是竖向进气格栅前后布置时，风扇高转速工况下，车速分别为32、43、72、115和160 km/h时，前进气格栅和后进气格栅的压力损失。

图10　低转速工况下竖向格栅压力降随车速变化曲线

对计算结果进行对比分析，当客车车速逐渐提高时，横向布置的前进气格栅和后进气格栅，其内外两侧压差呈减小的趋势，这是因为随着车速的增加，进气格栅外侧的压力越来越小，从而使得格栅内外侧压差逐渐减小，慢慢地减到零，之后继续提高车速，散热风扇转速不变，在格栅内侧和风扇之间由于风扇运转所产生的负压区域的压力，逐渐高于格栅外侧的空气压力，使得格栅外侧压力小于格栅内侧压力，并随着车速的增加，差值越来越大。

图10是竖向进气格栅前后布置时在车速分别为20、27、45、72和100 km/h时，前进气格栅和后进气格栅的内外侧压差。

对于散热风扇低转速工况下的分析，与上文高转速工况下的分析类似，区别是在相同车速下，风扇低转速工况时进气格栅内外侧的压差较高转速工况要小，而且压差反转时的所对应的车速也相比高转速工况条件下较小。