基于STAR-CCM+的某轻型客车冷却系统改进

杨情操，邹小俊，张汤赟，徐芙蓉，邹亮

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 2111806）

基于STAR-CCM+的某轻型客车冷却系统改进

杨情操，邹小俊，张汤赟，徐芙蓉，邹亮

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 2111806）

针对客车发动机冷却系统对冷却量敏感的问题，以CFD商用软件STAR-CCM+为工具，对某轻型客车冷却系统进行了模拟计算，发现在整车前面罩框进气格栅与散热器之间存在较为明显的回流现象，导致空气循环加热，降低了散热器的散热性能；并就此进行相关优化设计，采用优化策略后，该轻型客车的冷却系统使用限值超过42℃，并在道路上进行了整车热平衡试验。试验结果表明：经过优化后的冷却系统，满足了该轻型客车在热区实际实用，进一步验证了该方法的有效性。

轻型客车；STAR-CCM+；冷却系统；CFD

Abstract:For the passenger car engine cooling system is sensitive to cooling,the automobile cooling system based on the commercial CFD software STAR-CCM+was simulated in this paper.The counter⁃flow appeared between the radiator grille and back frame in the vehicle front cover causing the air circu⁃lation heating,reducing the radiator,s performance.And the related optimization was designed.The use limit of the cooling system was increased to more than 42℃after optimization,and the whole vehicle thermal balance test was carried out on the road.The test result shows that the light bus with the new au⁃tomobile cooling system is practical in the hot zone based on the corresponding standard which verified the validity of the method.

Key words:light bus;STAR-CCM+;cooling system;CFD

随着对汽车排放、动力性、经济性、舒适性等要求的持续提升，发动机及其附件的设计越来越复杂。布置在发动机舱内部的零部件类别不断增加、体积不断加大，造成发动机舱内的使用空间愈来愈拥挤，对发动机舱散热提出了更加苛刻的要求。

内燃机冷却的目的是防止零件过热，以保证内燃机在各种工况下受热零部件温度维持在正常范围内，并且各个摩擦副能够保持正常的润滑［1］。

采用传统方式设计开发汽车冷却系统，存在周期长、验证困难等问题。随着近年来计算机技术的迅猛发展和数值计算方法的广泛使用，对从事汽车设计的工程技术人员而言，在空气动力学的理论和方法的基础上，借助先进的三维设计工具CATIA和流体力学分析软件STAR-CCM+［2-3］，分析汽车冷却系统的性能显得更加快捷与高效。胡文成通过CFD对发动机舱内流场与温度场进行仿真分析，找到了发动机舱回流的原因，制定了改进措施，并采用经济的工程方案验证其有效性［4］。A Skea在进行CFD分析时考虑边界条件过于仔细，耗费了大量计算时间，因此用试验数据的边界条件对发动机舱进行热管理分析，从工程应用的角度出发不太现实［5］。Vivek Kumar综合 Flow Network Modeling 和CFD方法的优点，根据散热系统冷却风扇指标与汽车内流场阻力参数的分析，对散热系统采取了改进措施［6］。文中对某轻型客车冷却系统进行比较深入的研究，并在实践中运用，可节省开发周期，降低验证风险。

1 冷却系统模型建立

1.1 冷却系统三维模型

对某轻型客车发动机舱进行了三维建模，主要包含发动机、悬置、电器系统、进气系统、排气系统、冷却模块（散热器、中冷器和冷凝器）、变速器、传动系、燃油系等多个系统，空间中根据功能需要连接有较多的油管、气管、水管和电线，结构比较复杂。具体结构如图1所示。

图1 冷却系统三维剖面图

对三维模型进行适当的简化提炼，可有效地保证计算工程的时效性：将发动机舱内的一些卡箍等简单简化，对影响内流场的管路等保留，对于车身内外表面、前面罩框进气格栅、散热器、动力总成、风扇、护风罩、导风罩、管路等保留。

1.2 计算域划分

真实车辆在道路上行驶，计算域空间应该为无限。从理论上分析，计算域的选取也应为车辆外围至无穷远处。但在实际计算时，为减少风洞试验中的阻塞效应，降低计算资源需求，一般需确定一个有限的空间范围。文中建立了一个长方体计算域，计算域的取法为距离前面罩框至流场域入口距离为1倍车长，距离车尾为1倍车长，整体宽度为2.5倍车宽，整体高度为2.5倍车高，如图2所示。

图2 计算域空间尺寸

计算采用切割体网格，综合计算精度和效率，体网格中最大单元尺寸为400mm，最小单元尺寸为2mm。与此同时，对流动复杂的机舱区域进行了局部体网格加密，以便更加细致地模拟机舱内的气体流动和温度分布情况。进气格栅的结构影响冷却空气的流量，进气格栅的合理数值离散对计算结果也有重要的影响，因此对进气格栅的网格划分采用最小单元尺寸进行划分，具体如图3所示。

图3 整车切割体网格示意图

1.3 边界条件设定

1.3.1 发动机舱分析的外部边界条件

1）入口边界 主要包括速度入口、压力入口和质量流量入口。速度入口需要给定进口速度的标量值，压力入口需要给定进口总压，质量入口用于可压缩流，需要给定进口的质量流量。本课题设置为速度入口，为模拟高温环境下状态，设定入口条件为30 km·h-1、温度42℃。

2）出口边界 主要包括压力远场和压力出口，压力远场用于可压缩流。本课题设置为压力出口。

3）其它边界 本课题用到的壁面边界包括滑移壁面和移动壁面等。

计算域的外部边界如图4所示。

图4 计算域外部边界

1.3.2 发动机舱分析的内部边界条件

将发动机舱内部的边界条件归结为内部边界，因换热器流道细小、结构复杂，为节约资源，将中冷器、散热器等简化为多孔介质模型，通过给定粘性阻抗和惯性阻抗来模拟气流流动方向的压力降［7］。风扇旋转流体区域的计算有多参考坐标系法（MRF）和滑移网格法［8］，计算偏差均在2%以内，从节省时间和资源考虑，一般进气工程采用MRF法。

1）多孔介质模型 通过中冷器和散热器的压力速度曲线计算得到惯性阻力系数Pi和Pv值，将Pi和Pv值输入模拟中冷器和散热器的多孔介质模块来表征其阻力特性。中冷器的惯性阻力系数Pi为311.0kg·m-4，粘性阻力系数Pv为467.0kg·m-3·s；散热器的惯性阻力系数Pi为311.0kg·m-4，粘性阻力系数Pv为467.0kg·m-3·s。

2）冷却风扇模型 选用MRF模型，包裹叶片搭建圆柱形风扇旋转区域，以风扇中心为圆心，风扇的轴向为Z轴搭建局部坐标，给旋转区域一个沿Z轴的转速，风扇转速为2 400 r·min-1。设置压力进口及压力出口条件，数值均为大气压力。

3）Baffle模型 导风罩、护风罩等建模选用了Baffle模型。

2 CFD分析及优化

某轻型客车发动机舱改进前CFD流场和温度场分析结果如图5所示。改进前冷却系统布置存在在散热器边缘等存在较多的紊流，进入发动机舱冷空气未能冷却散热器中冷却液，而从散热器边缘等处流失，造成冷却空气进气量不满足要求，降低散热器散热性能的问题。

图5 改进前截面Z=0.4 m流动情况

根据发动机舱的流场和温度场特性的仿真分析情况，需对发动机舱内冷却系统各总成零部件进行改进设计。基于最少成本解决最大问题的思路，对改进方案进行了分析，提出了增大冷却风扇直径、加大散热器芯部尺寸、改变散热器流向结构、增加导风罩、优化护风罩结构、调整风扇转速、加大水泵扬程等十几种组合优化方案。从空间布置、成本考量、工程可行性等多方面权衡，选择采用更换散热器类型、增加导风罩的优化方案，起到的改善效果最为明显，性价比较高，且对发动机舱流场和温度场的分析影响较为明显。

根据CFD仿真分析结果，对某轻型客车散热系统结构进行优化设计，并对达成的要求进行目标设定：1）尽可能减少位于散热器与保险杠之间冷却空气的回流；2）确保冷却液许用环境温度（ATD）和机油许用环境温度（ACO）达到42℃以上。为降低散热器与保险杠及整车前面罩框进气格栅之间的冷却空气回流，在散热器四周增加导风罩，并对导风罩的结构形式进行优化设计，构建更加合理的冷却空气流经通道，排除发动机舱的热空气回流，降低了热空气被二次加热风险。改进前（图6a）无左右导风罩，仅有下导风罩，发动机舱的热空气比较容易回流造成二次加热；改进后（图6b）增加左右侧导风罩，并对导风罩结构进行优化，能将冷却空气较好地引导至散热器和中冷器。对改进后冷却系统进行CFD分析，截面流动情况如图7所示。整车发动机舱冷却系统在散热器边缘等存在的紊流已经减少很多，进入发动机舱冷空气有效地冷却散热器中冷却液，冷却空气进气量较为充足，提高了散热器散热性能，改进了冷却系统散热性能。

图6 冷却系统改进前后对比图

图7 改进后截面Z=0.4 m流动情况

3 热平衡试验

为验证改进后冷却系统的冷却液和机油是否满足高温地区使用，采用整车热平衡方式验证，在整车道路试验中采用负荷拖车进行试验，确保发动机最大扭矩及最大功率工况得以发出。

在发动机最大扭矩转速工况时，改进后的发动机出水温度、机油温度与环境温度的平衡状态见图8 a。试验进行至10min后，水温趋于平衡；13min后油温已趋于平衡。在发动机最大功率转速工况时，改进后的发动机出水温度、机油温度与环境温度的平衡状态见图8 b。试验进行至11min后，水温和油温已趋于平衡。

图8 改进后水温和油温平衡图

改进前后结果对比如表1所示。在最大功率及最大扭矩工况下，ATD分别提升了5.4℃和5.5℃，ACO分别提升了5.1℃和4.1℃，进出水温差分别提高了1.3℃和0.9℃，且改进后在大功率及最大扭矩工况下ATD及ACO值均高于42℃，且发动机进出水温差处于4～8℃，满足发动机冷却需要。试验结果显示：改进后的导风罩结构冷却系统可以满足该轻型客车在国内高温地区的需要。

表1 试验结果对比 ℃

4 结语

基于STAR-CCM+的CFD仿真改进，对某轻型客车发动机舱内流场进行分析，针对冷却空气的回流情况，采用优化方案并增加左右导风罩结构，对导风罩结构进行优化设计，引导冷却空气流畅地通过散热器。仿真及试验结果均显示：导风罩有效地阻隔了冷却空气的回流，发动机舱的温度分布得到改进，冷却系统使用限值超过42℃，满足了该轻型客车在热区实际实用的要求。

［1］袁兆成.内燃机设计［M］.北京：机械工业出版社，2008：321-341.

［2］梁江波，马凤军，刘顶平.Star_CCM+在某重型车冷却模块选型上的应用［J］.专用汽车，2013（11）：100-105.

［3］侯献军，马将森，杜松泽，等.基于CFD方法的整车冷却系统匹配分析［J］.汽车技术，2015（11）：11-38.

［4］胡文成.某卡车发动机舱散热特性分析［D］.南京：南京理工大学，2014.

［5］A Skea，A Jollifie，R Harrison M Jones，et al.Using CFD for Underbonnet Thermal Management［C］//EACC2003,1stEuropean Automotive CFD Conference,June 25-26,2003,Bingen，Germany.

［6］Vivek K，Sachin A S,S Baskar.Underhood Thermal Simu⁃lation of a Small Passenger Vehicle with Rear Engine Compartment to Evaluate and Enhance Radiator Perfor⁃mance［J］.2010，3（1）：22.

［7］邹小俊.中体车型冷却系统性能仿真分析并优化设计［D］.南京：南京理工大学，2013.

［8］Hak Jun Kim，Charn-Jung Kim.A Numerical Analysis for the Cooling Module Related to Automobile Air-condi⁃tioning System［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28（14-15）：1896-1905.

Cooling System Optimization of a Light Bus Based on STAR-CCM+

Yang Qingcao,Zou Xiaojun,Zhang Tangyun,Xu Furong,Zou Liang
（NAVECO Co.Ltd.,Nanjing 211806,China）

U464.138

A

1008-5483（2017）03-0009-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.003

2017-03-19

杨情操（1980-），男，湖北天门人，高级工程师，硕士，从事汽车冷却系统方面的研究。E-mail：yqc99231@163.com