高级培训-105应用CFD仿真分析优化某SUV车型的机舱流场1

1、应用CFD仿真分析优化某 SUV车型的机舱流场应用CFD仿真分析优化某 SUV车型的机舱流场1 前言SUV的全称是Sport Utility Vehicle，中文意思是运动型多用途汽车。现在的 SUV 一般指那些以轿车平台为基础、在一定程度上既具有轿车的舒适性，又具有一定越野性的车型通俗说就是能在城市中开的越野车1。国内SUV市场正处于从优质走向成熟的阶段。按照SUV的功能性，通常分为城市型 SUV与越野车，前者代表有景逸 x3、奇瑞瑞虎、宝马 XI、 奥迪Q3、现代ix35、雪佛兰创酷等；后者代表有奔驰G500、悍马H2、丰田普拉多、铃木吉姆尼、路虎卫士等。，SUV的特点是动力强、越野性、宽

2、敞舒适及良好的载物和载客功能。良好的通过性是SVU车型的一大亮点，SUV车的机舱结构特点与轿车基本相同，但是它的离地间隙、 接近角和离去角比普通的轿车要好。从以上SUV车的功能和结构特点可以看出，为了保证它具有良好的热管理性能，设计阶段的SUV车型的机舱优化更加重要。在当前的整车开发过程中，需要通过大量的仿真分析和试验来平衡动力总成冷却需求、空气动力学特性、环境控制、造型风格、整车结构以及成本之间的关系。前端的设计在整车开发过程中非常重要，比如发动机的冷却和环境需求要求有足够的空气进入机舱，但是这会增加整车的冷却阻力。机舱内安装导流板可以增加前端开口的利用率并有效防止机舱热回流 进入冷凝器和散

3、热器，但这同时也增加了成本。采用CFD分析技术可以快速有效地解决这一问题，实现不同性能需求间的平衡9-12。本文针对中心开发的一款红旗品牌 SUV车型，在设计阶段开展机舱流场分析， 确定导风 板方案提高冷却风的有效利用、 优化风扇布置提高散热器入口冷却空气速度分布均匀性，同时优化发动机进气口设计，保证发动机的进气需求。2仿真分析模型与计算方法2.1仿真分析模型为了准确反映机舱内的流动情况，机舱流动CFD分析的整车模型是实际整车结构的全尺寸三维模型，仅去掉螺栓等小的特征，对于关键部件如动力总成、格栅、前端冷却模块等则按照实际几何保留尺寸，格栅及机舱布置如图1所示。该发动机的前端冷却模块布置如图2

4、所示，由于发动机中冷器采用水冷方式，整车冷却系统分为两个回路，高温回路满足 发动机冷却系统需求，低温回路满足发动机中冷需求，两个系统共用风扇和膨胀水箱。2.2仿真分析模型计算区域及网格划分仿真分析的网格前处理和求解采用Starccm+软件。为了保证机舱仿真分析的准确性，按照标准的风洞空间尺寸建立计算区域， 如图3所示。首先对整车3D几何模型进行清理和简 化，通过包面获得满足计算需求的封闭表面，之后进行面网格的划分，面网格参数大小的选取要兼顾部件的大小、 表面是否变形失真以及整体网格数量的限制。为了保证计算精度和更好的收敛性，最后设定局部加密区域。采用 Trim+Prism 方式生成体网格，该车

5、型的整体网格数量约2133.5万，整车对称面上的网格剖面如图4所示。下格欄眾Ji執倉空助出图1整车前部格栅及机舱布置几何模型TIF.iySF1 风 B0叮冈斤i图2整车前端冷却模块布置十出匚AC图3整车机舱CFD分析计算区域模型图4整车中心对称面上的网格2.3仿真分析边界条件计算区域的入口采用速度入口，出口采用压力出口， 按照企业整车热平衡试验标准设定环境温度和压力。前端冷却模块的换热器芯体采用六面体网格划分，采用多孔介质模型来模拟垂直于换热器表面的流动阻力，阻尼系数由供应商提供的换热器流动阻力曲线确定。风扇采用多重参考坐标系（MRF ）模型模拟，仿真分析过程中设定风扇转速。仿真分析工况主要是

6、三个典型的整车热平衡工况，工况的设定见表1。表1仿真分析的工况描述工况车速/km -1坡度/ 发动机转速/r min -1风扇转速/r min -11409%357530002905.5%2027300031400259630003机舱流场的优化SUV车型的机舱布置非常紧凑，匹配的CA6GV机械增压发动机的散热需求高，因此，格栅开口位置及有效流通面积、导风罩的设计、风扇的布置以及散热器的性能对于整车冷却能力而言至关重要，同时为了保证发动机的进气来源，发动机进气口的设计也要重点关注。 通过机舱流动CFD分析，可以在设计阶段识别机舱布置问题，保证整车热管理性能的达成。3.1机舱前端导风板的优化为了

7、降低整车风阻，同时提高暖车效果，该车型采用主动格栅（AGS）技术。设计初版方案仅在冷却模块的两侧加了导风板，导风板的详细结构需要通过仿真分析进行优化。图5为机舱基础布置方案两个车速条件下整车对称剖面上的速度矢量分布图。从图中可以看出， 从下格栅进入的空气在进入冷却模块前就从机舱下部泄漏了，而且随着车速的增加泄漏量急剧增加。由于SUV车型离地间隙大，前端下部进气泄漏倾向更大。乐連：40kmrti车連：下ffi删下咽泄躍的轉障下飙崔再的宅体图5机舱基础布置方案整车对称面上速度矢量分布导风板是前端设计的重要部分，它在格栅到换热器之间形成气体流动通道。它的设计 要满足低阻力和密封两个需求。低阻力的导风

8、板形成的进风通道可以有效改善空调的性能， 在怠速和城市堵车工况尤为显著。密封的重要性在于有效阻止机舱内的热空气回流至冷凝器 和散热器之前。通过减少通道下方气体的泄露可以提高整车燃油经济性。导风板的设计要综合考虑发动机冷却、 前端开口面积和形状、 冷却模块等因素，设计原则是保证前端冷却模 块的上部、下部和侧向密封。图6是140km/h车速下，优化后的导风板结构及采用优化后导风板的整车对称面上的速 度分布，可以看到冷却模块两侧及机舱下部没有泄漏，来自格栅的空气顺畅进入前端冷却模块。图7是采用优化导风板的高温冷却系统发动机散热器、空调冷凝器和低温中冷回路的主 低温散热器的进风来源轨迹线，可见冷却模块

9、的进风来自格栅没有机舱热回流，而且流动通畅。H-1:吐;計心打 ACmA4礼港冷凝器的进风来源轨迹主低温散热器的进风来源轨迹T格栅高温散热器的进风来源轨迹OOOIVAfsc.300图7采用优化导风板的换热器的进风来源表2 导风板优化前后换热器进风量比较进风面位置工况1 （原始）kg/s工况1 （优化）kg/s工况3 （原始）kg/s工况3 （优化）kg/s冷凝器入口0.7550.8551.3951.750散热器入口1.0261.1731.6532.038主低温散热器入口0.1520.1910.2820.524表2是导风板优化前后换热器模块的进风量比较。可见，对于低车速工况1，由于导风板的密封作

10、用，冷凝器和高温散热器的进风量提升13%左右，而下部泄漏的消除使主低温散热器的进风量提高25%。对于高车速工况3，导风板的效果更明显，冷凝器和高温散热器 的进风量提升23%左右，而下部泄漏的消除使主低温散热器的进风量提高85%，有利于保证发动机中冷后温度的达成。3.2优化风扇布置型式风扇是机舱进风的动力源，为了保证机舱的进风量，该车型采用双风扇结构。散热器的性能不仅取决于进风量的大小，也受进风均匀性的影响。风扇在满足性能要求的情况下，其布置要尽可能保证换热器表面的进风均匀，最大限度提升散热器的换热能力。初始的两个风扇是对角布置的， 尽管有风门，但是散热器的入口面速度分布不均匀，在风扇作用区之外

11、的散热器两个角点存在低速区，见图8。优化后的风扇采用平行布置方式，散热器的入口面速度分布均匀性得到改善，提升了散热器效率，见图9。车速 40kirVh风ii关闭时 放热器入口連度甘布現门全开曲风门刘舟市罔的戏傀剧4.CCW3toaoa图8对角布置的双风扇模型及散热器入口速度分布李連 40knn/h散热黠入口渥虔分布(m/t?oraD平仃布置的孜风扇图9平行布置的双风扇模型及散热器入口速度分布3.3优化发动机进气口该SUV车型采用机械增压技术，发动机的进气温度不仅影响充气效率而且影响中冷后的气体温度，从而影响发动机的性能，因此，进气口的布置非常重要。为了保证前端冷却模块的有效进气，导风板的密封效

12、果非常好，导风板四周通过橡胶件和前脸形成良好密封，即来自格栅的空气全部被导流到前端冷却模块。在此情况下，布置在冷却模块框架上部的发动机进气口在导风板外部上方，只能吸入机舱内的热空气，见图10。为了解决这个问题，在导风板的上部表面靠近格栅的位置开口，同时加一小段引风通道，目的是将外部的空气更好地引入并导向进气口，模型及改进效果见图11，从图中可以看出，进气口的来流是外界的新鲜空气，而且进气非常顺畅。图10初版方案发动机进气口的位置及进气来源轨迹发动机进气口图11发动机进气口优化方案及优化后进气来源轨迹4优化后机舱布置方案的冷却系统仿真分析结果在开展机舱流动CFD分析的同时，应用FLOWMASTE

13、R软件搭建了整车冷却系统仿真分 析模型，如图12所示。表3为优化前后冷却系统仿真分析结果比较，可以看到由于采用了优化措施，前端冷却模块的进风量得到大幅度提升，评价工况条件下的冷却液温度和机油温度降低，系统冷却能力提高。表3 机舱冷却系统一维仿真分析结果比较工况1 （原始）/ C工况1 （优化）/ C工况3 （原始）/ C工况3 （优化）/ C冷却液117.54112.5494.2989.71发动机机油126.49122.78103.98100.24图12 SUV车型的整车冷却系统一维模型5结束语通过对某SUV车型机舱流场初版布置方案进行仿真分析，识别机舱流场存在的问题，通过优化导风板的结构设计

14、，实现前端冷却模块的良好密封，将冷却模块前泄露量降至最低。 同时优化双风扇的布置方式， 提高散热器入口速度分布均匀性， 实现散热器效率的最大利用， 最终提高冷却系统能力。 此外，对发动机进气口的引风装置进行优化，解决了采用全封闭导风板结构条件下发动机进气来源的问题，确保进入发动机进气口的空气是外部的新鲜空气。参考文献1 谭钧泽，“基于 CFD的某SUV气动性分析与改进”，湖南大学硕士学位论文，20112 Hnatczuk, W., Lasecki, M.P ., Bishop, J., Goodell, J.,“ Parasitic LossReduction for 21st C ntury

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