前舱引流板对温度场的改善分析

魏淳

前舱引流板对温度场的改善分析

魏淳

（摩登汽车有限公司，上海 200040）

重点介绍了前舱引流板对温度场改善的分析过程。针对某项目设计过程中，前舱温度场不达标的情况，提出增加前舱引流板的建议，通过CFD（Computational Fluid Dynamics）分析对比，增加前舱引流板后，前舱的流场及各主要零部件的温度情况改善明显，使进入前舱的气流利用率最大化，解决了整车开发过程中，前舱温度场难以达标的问题。

引流板；CFD；温度场；有限元分析

1 概述

汽车前舱是一个半封闭的空间，舱内包括了冷却系统、动力系统及蓄电池、电器盒等对温度存在限值的元件，且空间结构布置非常紧凑。随着对汽车动力性、排放性能、经济性以及可靠性等方面要求的日益提高，汽车的前舱内元件变得越来越模块化，布置也越来越紧凑，这给前舱散热带来了更大的挑战，使汽车的散热问题成为国内外研究者关注的焦点之一[1]。因此，在新车型开发的过程中，可考虑采用CFD数值仿真的方法，进行发动机舱散热研究[2]。

由于前舱温度太高，可能造成前舱的自燃。所以传统汽车设计时为满足散热器的供风需求，将格栅开口加大，保证充足的进气量通过格栅进入散热器。但增大格栅开口将会增加整车风阻，大大降低经济性，同时新能源汽车在汽车行业中的迅速崛起，使格栅开口“最小化”成为很多造型设计师的追求。

为了确保冷却系统的散热能力、整机的综合热平衡达到良好的效果，对客车风扇叶片到散热器芯子的距离进行合理匹配试验研究，结果发现：吸风式和吹风式风扇的叶片到水散热器芯子地最佳距离分别为88～98 mm和78mm，而吸风式风扇的叶片与中冷器芯子地最佳距离为168mm[3]。文献[4]提出对散热器组的独立研究；文献[5]提出了对前舱输入的研究；文献[6]提出了主动格栅对气动减阻和散热需求的研究等。

本文通过CFD仿真软件，分析了气流通过格栅进入前舱后的流向，发现在格栅与散热器之间存在较为严重的回流现象，还有很多气体从散热器四周流过，并未对散热器的运作起到有效作用。为避免上述情况的出现，分析增加前舱引流板来调整进入格栅的气体流向，得出最佳优化方案。

2 CFD仿真分析原理

CFD实质上是利用技术求解三大控制方程，三个控制方程的具体描述如下：

2.1 质量守恒定律

该定律可以描述为：单位时间内流体微元中质量的增加与同一时间间隔内流入该微元体的净质量相等。按照这一规律，可以得出质量守恒方程（1）。

2.2 动量守恒方程

所有流体系统都必须遵守这一基本守恒定律。该定律在流体系统中可以定义为：微元体的动量对时间的变化率等于外界作用在微元上的各种力之和。根据这一定律，可以得到沿、、方向的三个单向流动量守恒方程（2）：

其中：-流体微元体上的压力；τ、τ、τ——作用在微元体表面上的粘性应力的分量，由粘性作用产生；F、F、F——微元体上的体力，若体力只有重力且沿轴竖直向上，则F=0, F=0, F=-ρg。

2.3 能量守恒方程

含有热交换的流动系统必须遵守能量守恒定律。在此系统中，能量守恒定律可定义为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。

其中：C—比热容；—温度；—流体的传热系数；S—流体内热源及因黏性作用流体机械能转为热能的部分，通常将S叫做黏性耗散项。

3 前舱温度场控制的重要性

前舱布置了冷却系统、动力系统及蓄电池、电器盒等众多零部件，在高温环境下无法长时间运作，甚至引发自燃。所以需要对前舱进行温度管理，控制温度上限，确保在各种恶劣的工况下各零部件的温度能够在其限值之内。针对某新能源汽车开发项目所选用的零部件，其相应的温度限值为：冷却风扇护风罩的极限温度为80°；冷却风扇电机的极限温度为80°；蓄电池的极限温度为55°；电机的极限温度为90°；电机线束及电器盒的极限温度为80°。

3.1 格栅进气量的计算

空气通过前格栅进入CRFM（condenser，radiator，fan power train cooling module），然后进入前舱，这是降低前舱各零部件的最主要途径。所以，通过CRFM的空气量是保证前舱温度场的重要因素。

本文通过CFD仿真软件，模拟分析进入格栅的空气流动。通过计算得到进入CRFM的空气质量流量。

4 CFD仿真分析

4.1 引流板的两个状态

空气从格栅进入前舱后向CRFM及其周边同步流动，在CRFM周边形成涡流甚至是回流，降低空气的有效利用率。为了减轻上述涡流、回流的现象，提高空气有效利用率，本文提出增加一引流板装置，使气体不流向CRFM两侧，来改善涡流和回流现象。该引流板装置通过六个安装点分别于前防撞梁、前保、水箱上横梁相连，见图1。

1-CRFM 2-引流板（左右两片）

4.2 整车模型

对整车及其所处的环境进行有限元模型搭建。由于整车模型过于复杂，在尽可能保证模型特征细节及计算精度的前提下，为了减少计算网格的数量，节约计算时间，本次分析对模型进行了一定程度的简化处理。如省略了部分紧固件、管线路等。由于本次分析只涉及到前舱内流场及整车外流场的耦合计算，所以将驾驶舱内的内饰全部省略，并将汽车驾驶舱完全封闭，避免空气渗入对计算结果造成影响。

对计算域的搭建。整个计算域模型为长：65m，宽：16m，高：12m，的密闭矩形空间。经过网格搭接，整车模型共计3760w网格，如图2。

图2 整车计算域

4.3 边界条件的设定

对模型边界条件进行定义：

1）环境温度为40℃；

2）车轮为旋转壁面；

3）风扇为MRF，2000rpm；

4）对整个CRFM系统进行设定：

a）定义冷凝器的惯性阻力系数为178.23kg/m4；粘性阻力系数为683.87kg/m³·s；

b）定义散热器的惯性阻力系数为163.65 kg/ m4；粘性阻力系数为658.19 kg/m³·s；

c）定义风扇的转动方向，使模型中空气从车外往车内流动。定义域中的空气流速，分别为：60km/h、90km/h、110km/h。

模拟三个不同流速的空气的流动情况。

4.4 仿真结果分析

对于前舱温度场的评估，本次仿真分析主要监测了冷却风扇护风罩、冷却风扇电机、蓄电池、电机、电机线束、电器盒等零件的温度值，并对流进冷却模块的空气进行流场分析。

分析的两个模型为，整车状态未添加引流板和整车状态添加全引流板。分析的工况为：a）空气流速60km/h；b）空气流速90km/h；c）空气流速110km/h，两个模型总计6个工况。

如图3为未加引流板60km/h状态下工况。机舱车辆中心对称平面Y=0m处和格栅及引流板搭接处地面法向Z=0.8m处位置的截面温度分布云图，由图得知，机舱内的平均温度在110℃左右。

表1 各零部件温度

所检测的零部件温度情况如表1，其中冷却风扇护风罩、雷区风扇电机、蓄电池、电机线束、电器盒的温度均超出了极限温度，其中蓄电池的温度为110℃高出极限温度55℃。

图4为未加引流板60km/h状态下工况。机舱车辆中心对称平面Y=0m和格栅及引流板搭接处地面法向Z=0.8m处位置的截面速度分布图。从图中可看出：空气从格栅进入前舱后，并未全部进入散热模块，在冷凝器四周存在较为明显的漏风现象，同时形成了回流。这个状态对前舱的流场非常不利。

图4 机舱截面速度分布图

如图5，为整车状态添加引流板模型， 60km/h工况。机舱车辆中心对称平面Y=0m和格栅及引流板搭接处地面法向Z=0.8m处位置的截面速度分布图。对比图2，可发现：添加引流板后，在无引流板的情况下所产生的回流及漏风情况，如CRFM下端区域及CRFM两侧，得到了较为明显的改善。

图5 机舱截面速度分布图

此时各零部件温度情况得到了大幅的改善，如表2：

表2 各零部件温度

监控通过冷凝器的空气质量流量结果如表3：

表3 空气质量（kg/s）

对比空气流速相同空气流速状态下，可明显地发现有引流板的状态下，通过冷凝器及散热器的空气质量流量比无引流板的状态要大；将相同空气流速状态下增加全引流板的空气质量减去无引流板状态的空气质量，得到δ空气质量流量如表4：

表4 δ空气质量流量（kg/s）

对比δ空气质量流量，可直观地发现：当空气流速也就是汽车的行驶速度越快时，增加引流板对冷却模块的进气量改善越大。

5 结论

本文针对前舱温度场在汽车设计过程中无法达标的普遍现象，通过CFD仿真分析、结构设计，从引导气体的流向等方面，对比不同气体流速情况下前舱内各零部件的温度情况，来模拟汽车不同时速下的工况，前舱各零部件的温度情况。结果表明，在格栅与CRFM之间增加引流板，可以有效地减少进入前舱的空气回流、漏风、湍流现象，大大地提升了气体的利用率。该文章对新车型或是改型车的前舱温度场改善具有重要的参考意义。

[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.电子风扇与散热器距离匹配地试验研究[J].汽车工程,2009.

[4] 赵骆伟,张毅,俞小莉.车辆散热器组散热特性研究[J].机电工程, 2006(8).

[5] 蒋光福.汽车发动机舱散热特性研究[J].汽车科技,2006(5).

[6] 贾青,陈佳萍,杨志刚.基于气动减阻和散热需求的主动格栅优化设计[J].同济大学学报(自然科学版), 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

A

1671-7988(2021)03-129-04

魏淳，就职于摩登汽车有限公司。