基于CFD的汽车前端结构匹配研究

刘 念，孙跃东，吴旭陵，陆飞龙，于卓弘

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

基于CFD的汽车前端结构匹配研究

刘 念1，孙跃东1，吴旭陵2，陆飞龙2，于卓弘2

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

采用CFD仿真技术结合正交试验方法对主要前端结构进行了匹配研究。基于Fluent平台，搭建了整车的前端结构分析模型，设计了9种正交试验方案，系统地研究了前端格栅开口、冷凝器导流板、冷却风扇直径对整车前端进气、气动阻力的影响。通过整车风洞试验及热管理环境舱试验对最优配置进行了验证，相对误差值约2.28%。改进方案的Cd值为0.421 06，比改进前降低3%，且动力总成冷却系统（PTC）性能良好。研究结果对商用车前端结构的设计和匹配具有指导意义。

前端结构匹配；正交试验；CFD仿真；整车试验

引用格式：

前端配置包括进气格栅开口、冷却模块（冷凝器、散热器、中冷器）和风扇总成等结构部件。目前，国内外学者对前端结构的研究主要集中在通风散热方面[1-4]。WATANABE等[1]基于一维与三维耦合仿真模拟手段，分析了前端结构对汽车发动机舱热管理的影响。COSTA[2]采用CFD软件研究了进气格栅开口大小、形状等几何因素对发动机舱内部散热性能的影响。通用汽车的杨志刚等[3]基于三维仿真软件STAR-CD，通过对比搭载传统和全新前端冷却模块的发动机舱内部速度场、温度场，结合实车试验的验证，提出了全新的汽车冷却模块概念。哈飞汽车的李玉平[4]通过热管理环境舱试验研究了前端进气格栅、散热器以及冷却风扇单体设计对发动机散热性能的影响。众多研究成果加深了人们对前端结构的理解，也推动了前端结构匹配问题的研究。

在整车开发流程中，为缩短开发周期，降低研发成本，前端结构的匹配主要利用CFD仿真技术进行研究改进。考虑到前端配置的匹配需要兼顾动力总成冷却系统（PTC）性能和整车空气动力学性能。因此，本研究针对某企业的皮卡车型，基于Fluent平台搭建有效的仿真模型，借助于正交试验来探究不同前端结构因素对整车前端进气、气动阻力的影响规律，以此匹配最优的前端结构配置方案。

1 前端结构仿真分析基础

1.1 基本方程组和湍动能模型

基于Fluent软件的前端进气分析和气动阻力分析，涉及了汽车的内外流场耦合的过程，需要满足下列流动与传热的基本方程组[5]。

1.1.1 质量守恒方程

将空气看作不可压缩气体，ρu为常数，取值为1.225，单位为kg/m3。

1.1.2 动量守恒方程

式中：P为流体压力；u为液体粘度；S为广义源项；i和j为张量指标，取值范围为1，2，3。

1.1.3 能量守恒方程

式中：keff为有效热传导系数；h为焓；J为扩散流量；Sh为热源项。

1.1.4 可实现的湍动能方程

湍动能模型选用Realizable k-ε方程，其计算精度高，适用范围广，可以更为精准地模拟汽车的复杂流场分布情况[6]。

湍动能k方程：

湍动能耗散率ε方程：

其中C1、η、S的表达式如下：

式（4）～（5）中：ρu为密度，kg/m3；Ui为i方向的速度，m/s；Gk为平均速度梯度产生的湍动能，m2/s2；Gb为浮力产生的湍动能，m2/s2；Sk、Sε为用户定义项；C1ε、C2ε、C3ε为常数，设定为1.44、1.9、0.8；为K方程的Prandtl数； 为ε方程的Prandtl数。

1.2 离散方法和格式

由于有限体积法对网格的精度、数量要求不高，且积分守恒精准，所以通过该离散方法对计算区域内的所有控制体积单元进行积分，将原先的连续性微分方程转换成离散方程组[7]。

一般情况下，对于面网格采用三角形网格、体网格采用四面体网格的复杂流动问题，通常需要采用二阶精度的离散格式，因此采用二阶迎风格式进行插值离散求解。

二阶迎风格式的对流-扩散离散方程为：

式中各参数用下式表达：

其中，流动方向为正，α=1；流动方向为负，α=10。

2 建立仿真模型

2.1 网格划分

对含有发动机舱和底盘件的1∶1整车模型进行几何清理，局部特征网格进行细化，网格尺寸为3～5 mm，整车总体区域面网格尺寸为10～15 mm，面网格形式为三角形网格，网格总数为5 464 634个。软件窗口界面中shaded-elements状态的整车模型，如图1所示。

图1 整车数模

为了保证整车内、外流场能够充分延展，将整车置于计算域中间位置，整车的长、宽、高为L、W、H，计算域的长度为10 L，宽度为8 W，高度为5.5 H，侧面距离汽车边界为3.5 W。将质量检查合格的面网格模型直接导入T-Grid软件，并生成计算区域和整车的体网格。体网格形式主要为四面体网格，多孔介质区域体网格形式为六面体网格，计算网格总数为42 672 845个，整车附近流场区域进行网格加密处理。截取αY =10截面的计算域网格，如图2所示。

图2 体网格处理

2.2 边界条件设置

2.2.1 多孔介质

在Fluent软件的条件设置中，冷凝器、中冷器、散热器的简化数学模型和多孔介质的数学模型相同，即通过在动量方程中增加粘性阻力项和惯性损失项来表述流体计算域中换热器的多孔性材料对前端进气流体的流动阻力[8]。

将冷却模块定义为简易的均匀多孔介质，Darcy动量源项简化为式（7），多孔介质参数的具体设置情况见表1。

式中：Si为多孔介质元件的压降；µ为粘性系数；Pi为惯性阻力系数；ρu为空气的密度；V为多孔介质表面的垂直速度分量；Pv为粘性阻力系数。

表1 多孔介质参数设置

2.2.2 冷却风扇MRF模型

针对冷却风扇选择MRF模型，建立独立的风扇旋转区域,旋转中心坐标为（1 242.7，1.646，237.185），旋转轴矢量为（1，0，0），旋转速度为3 000 r/min，网格模型如图3所示。

2.2.3 边界条件

使用数值模拟的方法对整车数模进行前端进气和空气动力学分析，实际是在模拟气体经过汽车的流动过程，具体的模型和参数设置见表2。

图3 冷却风扇网格模型

表2 边界条件设置

工程设计上，动力总成冷却系统（PTC）性能的前期开发是参考汽车前端进气状态来设计考虑的。按照整车设计规范，前端进气的仿真计算工况为恶劣工况（4挡、80 km/h、爬坡）的散热器进风量，气动阻力的仿真计算工况为车速120 km/h（国内的高速路段行驶速度上限）的气动阻力系数。

3 正交试验设计

正交试验方法能够根据正交表选取部分试验代替全因子试验，从而精简试验次数，提高试验效率。

3.1 因素及水平选取

整车前端进气与气动阻力的主要前端配置影响因素很多，为了避免造成试验矩阵过大，不适宜全部选取。由于整车开发过程中，冷却模块布置形式已经确定为中冷器-冷凝器-散热器。因此，根据工程经验和工程技术成本顾虑，不再考察冷却模块布置形式、格栅形状的影响。

基于上述考虑，从车辆燃油经济性理论分析的角度出发，提出了影响试验结果的3个影响因素：

（1）格栅开口率A，即格栅的开口面积到散热器表面积的正投影率，如图4a所示。

（2）冷凝器导流板角度B，即冷凝器下端导流板与z轴的夹角，如图4b所示。

（3）冷却风扇直径C，即风扇的电机直径，如图4c所示。

图4 前端配置因素示意图

前端配置的因素和水平确定后，将利用正交表进行3因素3水平的L9（33）正交试验，其试验因素水平安排见表3。

3.2 正交试验方案

由上文设计的试验因素及水平表可知，这是一个3因素3水平的正交试验，并且不考虑各因素之间的交互作用，因此可以选择L9（33）正交试验矩阵表安排试验，正交试验表及试验结果见表4。

表3 前端配置试验因素水平表

表4 前端配置的正交试验矩阵

3.3 仿真计算结果

采用Fluent软件对上述前端配置的试验方案进行前端进气及气动阻力仿真分析，得到各个方案的响应目标值，见表5。优化前前端结构因素、水平配置为A3B2C3，仿真分析得出风阻系数Cd为0.419 810 4，散热器芯体进风量为57.73 CMM。

表5 正交试验结果表

注：Cd表示整车风阻系数；Q表示散热器芯体进风量，均为正交试验设计的响应指标。PTC性能设计要求：4挡、80 km/h、爬坡工况下的散热器芯体进风量不可低于45 CMM。

3.4 数据分析

3.4.1 极差分析

为了找出各因素对各响应指标的影响规律，采用极差分析法对数据进行分析。极差是一组数据中最大值和最小值之差，极差值越大表示该因素对响应指标的影响越大，该因素越关键；极差值越小表示该因素对响应指标的影响越小，该因素重要度越低。表6和表7为各因素不同水平对各响应指标的极差分析结果。

表6 响应目标Cd极差分析

表7 响应目标-Q极差分析

比较不同列的极差大小可以得到选定因素对响应目标的影响程度大小。Rj值大表明该因素j对响应目标影响大，反之则表明该因素对响应目标影响小。根据极差分析结果，得出各响应指标的响应均值图，如图5和图6所示。

图5 因素水平-响应均值Cd分布

图6 因素水平-响应均值Q分布

由图5可知，整车风阻系数Cd随格栅开口率A增大而增大，随冷却风扇直径C增大而减小。由于响应指标Cd是望小最优，因此各因素影响强弱顺序为A＞B＞C，且最优水平分别为14.8%（A1）、+15（B3）、480 mm（C3）。

由图6可知，散热器芯体进风量Q随格栅开口率A、冷却风扇直径C增大而增大。由于响应指标Q是望大最优，因此各因素影响强弱顺序为A＞B＞C，且最优水平分别为24.8%（A3）、-15（B1）、480 mm（C3）。

兼顾前端进气和气动阻力性能匹配最优的前端结构配置，应先确保前端进气量满足设计要求，再选择气动阻力性能最优的配置形式，以此节约整车能耗。综上所述，方案3（A1B3C3）是最佳的前端结构匹配方案。

3.4.2 速度云图分析

发动机舱散热状况和整车气动阻力深受气流的流动状态影响，所以研究发动机舱内的空气流动特性十分必要。CFD仿真分析可以得到前端配置改进前后αy =10截面的速度云图，如图7所示。

图7 速度云图

由图7a可知，改进前前端结构的前端进气量大，内流阻力较大，气动性能较差。格栅开口率大，外界气流会快速流入进气格栅。由于冷凝器下部导流板与z轴平行，气流经过时没有经过任何导流的作用，会较快地通过冷却模块。由图7b可知，改进后空气流入前端进气格栅的速度明显减小，经过冷凝器下部导流板时速度变化梯度平缓，且冷凝器芯体迎风面区域流场速度较优化前变低，整个前端的流场得到较大的改善，内部阻力损失有效降低。虽然前端进气量较优化前有所降低，但是散热器芯体表面进风风量满足设计规范要求，发动机冷却性能稳定。

4 试验验证

4.1 整车风洞试验

整车风洞试验设备主要包括：上海地面交通工具风洞中心的五带移动地面系统、六分量测试天平、实车模型和计算机数据采集系统。参照整车风洞试验规范，将整车固定于测试地面中心，进行整车气动阻力风洞试验，如图8所示。调整整车姿态，测得整车正投影面积为2.940 2 m2。

图8 气动阻力风洞试验

设定整车风洞试验考核工况为120 km/h下，风速稳定状态的整车风阻系数。试验全过程，风机工作带动气流从气动声学风洞喷口流出并吹向试验车辆，风速由0 逐渐增加至120 km/h，待风速稳定在120 km/h状态，计算机数据采集系统会自动采集该工况下的整车风阻系数。数据采集完毕，风机停止工作，车辆前端气流停止流动。

对比响应目标Cd的最优前端配置方案的仿真分析结果和整车风洞试验结果，见表8。试验结果表明，改进前后的仿真数值与试验数值变化趋势相同，仿真误差平均值约3.36%，误差较小。CFD气动阻力分析可以使用于前端配置风阻优化的前期设计阶段。

表8 CFD仿真与风洞试验结果

4.2 整车热管理环境舱试验

整车热管理环境舱试验设备主要包括：热电偶、数据采集系统和温度传感器等装置。试验依据发动机冷却系统的设计目标，对整车发动机舱内所关注的部件进行布点，如图9所示。

图9 发动机舱内布点示意图

根据商用车热管理试验法规，在某技术中心的环境舱内对整车进行完整的城市、城郊、4挡50 km/h爬坡7.2%以及4挡80 km/h爬坡7.2%等工况热管理测试。由于本研究在热管理试验中仅关注发动机冷却系统能力是否满足设计目标，因此重点关注恶劣考核工况的试验数据。

依据数采系统的输出数据，整理恶劣考核工况下各个散热部件的测点温度，见表9。4挡、80 km/h、7.2%爬坡工况下的发动机出水温度低于115℃，油底壳机油温度均低于135℃，变速器油温均低于132℃，满足发动机冷却系统设计要求。最优前端配置方案的发动机系统冷却性能良好，方案可行性高。

表9 热管理试验结果

5 结论

本文为了匹配合理的前端结构方案，通过仿真与整车试验相结合的方法对某皮卡的前端结构进行了匹配优化。主要结论如下：

（1）利用Fluent平台对气动阻力特性及前端进气进行了仿真研究，得出了前端结构因素的影响规律，格栅开口率对气动阻力和前端进气影响最大，冷却风扇直径对气动阻力影响最弱，冷凝器导流板角度对前端进气影响最弱。

（2）仿真数据分析表明，最优前端结构配置为A1B3C3，风阻系数为0.410 764 9，散热器表面进风量为46.92 CMM。

（3）在整车风洞试验中，测得前端结构改进后的整车风阻系数为0.421 06，比改进前降低3%，相对误差约2.82%，误差较小。在整车热管理环境舱试验中，测得考核工况下的发动机出水温度、油底壳机油温度、变速器油温均满足设计要求，改进方案的动力总成冷却系统（PTC）性能良好。

参考文献（References）：

[1]WATANABEN，KUBOM，YOMODAN. An 1D-3D Integrating Numerical Simulation for Engine Cooling Problem[C]//SAE Technical Papers，2006-01-1603，2006.

[2]COSTAE A. CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks [C]//SAE Technical Papers，2003-01-3577，2003.

[3]YANG Zhigang，BOZEMANJ，SHENF Z，et al. CFRM Concept for Vehicle Thermal System[C]//SAE Technical Papers，2002-01-1207，2002.

[4]李玉平. HF5整车热平衡研究 [D]. 长春：吉林大学，2006.LIYuping. Study on HF5 Vehicle Thermal Balance [D].Changchun：Jilin University，2006. (in Chinese)

[5]李进良. 精通FLUENT6.3流场分析 [M]. 北京：化学工业出版社，2009.LI Jinliang. Pro fi cient in FLUENT6.3 Flow Field Analysis[M]. Beijing：ChemicalIndustry Press，2009. (in Chinese)

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[8]沈俊，傅立敏，范士杰. CFD在汽车空气动力学设计中的应用[J]. 汽车技术，2000(10)：1-4.SHEN Jun，Fu Limin，Fan Shijie. Application of CFD in Automotive Aerodynamics Design[J]. Automotive Technology，2000(10)：1-4. (in Chinese)

Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD

LIU Nian1，SUN Yuedong1，WU Xuling2，LU Feilong2，YU Zhuohong2
（1. College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai 200438，China）

The paper investigated the matching of the main front-end structure by using CFD simulation technology and the orthogonal test method.The simulation model of vehicle front-end structure was built based on Fluent software. Nine orthogonal test schemes were designed to study the effects of the front grille opening, the guide plate of condenser and the cooling fan diameter on the front-end intake and aerodynamic resistance of the automobile. The optimal configuration was verified by the wind tunnel and the thermal management environmental chamber tests, and the simulation error was about 2.28%. The drag coefficient of the improved scheme is 0.421 06, which is about 3% lower than before the improvement,and the good performance of the powertrain in cooling (PTC) system is achieved.The paper is instructive for design and matching of commercial front-end structures.

front-end structure matching; orthogonal test; CFD simulation; vehicle test

U461.1；U467.1+3

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.05

2017-04-24 改稿日期：2017-05-29

上海市研究生创新基金（JWCXSL 1022）

刘念，孙跃东，吴旭陵，等. 基于CFD的汽车前端结构匹配研究 [J]. 汽车工程学报，2017，7(5)：342-349.

LIU Nian，SUN Yuedong，WU Xuling，et al. Research on Matching of Automobile Front-end Structures Based on CFD [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：342-349. (in Chinese)

作者介绍

责任作者：孙跃东（1965-），男，江苏兴化人。教授，博士生导师，主要研究方向为车辆动力系统及匹配技术、车辆发动机性能测试。

E-mail：syd@usst.edu.cn

刘念（1992-），女，安徽六安人。硕士研究生，主要研究方向为汽车空气动力学、汽车热管理技术。

Tel：13301898576

E-mail：1457737023@qq.com