电动车格栅进气量仿真分析及试验对比

孙逸昊，付 森

(一汽丰田技术开发有限公司 天津 300462)

1 计算模型与计算方法

1.1 模型建立

建立与实车尺寸比例相同的三维实车数字模型，并保留机舱内关键零部件。该车辆模型划分为7大系统，分别为：动力系统、白车身系统、保险杠及进气格栅系统、高压电动力电池系统、低压电系统、驱动及制动系统、冷却及空调系统[1]。对关键位置和重点区域进行网格加密(如进气格栅处、换热器之间的间隙等)。同时为减少模型网格数量，将对于格栅进气量影响小的零部件进行了简化删除处理(如焊点、螺栓及小直径管路等)，并对车身后部采用大尺寸网格进行建模。

试验实车模型与仿真数字模型比较如图1—图6所示。

图1 实车冷却模块正面图Fig.1 Front view of cooling module of a real car

图2 仿真模型冷却模块正视图Fig.2 Front view of cooling module of a simulation model

图3 实车发动机舱俯视图Fig.3 Vertical view of real engine room

图4 仿真模型发动机舱俯视图Fig.4 Vertical view of simulation model of the engine room

图5 实车发动机舱仰视图Fig.5 Elevation view of real engine room

图6 仿真模型发动机舱仰视图Fig.6 Elevation map of the simulation model engine room

CFD仿真模型发动机舱内部主要零部件及其相应位置均与试验实车一致。

本次仿真计算通过对比原型车CFD仿真结果与试验结果一致性，验证仿真模型的准确性。改款车与其原型车格栅开口形状及冷却模块相对位置关系如图7、图8所示。

1.2 基本控制方程

图7 改款车格栅及冷却模块示意图Fig.7 Schematic diagram of the modified grille and cooling module

图8 原型车格栅及冷却模块示意图Fig.8 Schematic diagram of prototype grille and cooling module

针对本次分析工况，空气的流动速度较低(小于0.3倍马赫数)，因而空气密度变化不大，可以近似视为常数。所以此次仿真可以使用三维不可压缩流场的数学模型进行模拟。由于仿真模型为实车模型，机舱内结构比较复杂，空气粘度低，雷诺数大于 2,300，流体域主流区呈湍流现象，各控制方程如下所示[2]。连续性方程(质量守恒方程)：

式中：p为有限元体积所受压力，下标 x、y、z为坐标分量，U表示速度矢量。

选取k−ε湍流模型，将小尺度湍流现象使用雷诺时均化处理 Navier-Stokes方程，引入新的变量项(雷诺应力项)。为使求解方程组封闭，在大量实验基础上使用雷诺应力方程假设，方程如下：

湍流动能k方程：

湍流动能耗散率ε方程：

式中：k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，为湍流有效黏性系数，ρ为空气密度，表示湍动能有效扩散系数，表示湍动能黏性耗散率有效扩散系数。

2 三维模型计算域边界条件设置及体网格生成

2.1 风洞模型及风洞边界条件

计算域参照FTRD环境风洞(以下称FTRD-WT)进行创建，该风洞为开口式环境风洞，风洞试验室照片如图9所示。

仿真计算时主要对其喷口、试验段和收集口进行建模，车辆模型前端距离喷口1.24,m(参照实车试验条件进行布置)。入口边界条件设为速度入口边界，出口边界设为压力出口边界，数字风洞壁面及模型表面设为固定壁面边界。风洞模型及与仿真试验车摆放位置如图10所示。

图9 FTRD试验环境风洞Fig.9 Real wind tunnel for FTRD test

图10 FTRD环境数字风洞Fig.10 Digital wind tunnel for FTRD test

图11 标准数字风洞Fig.11 Standard digital wind tunnel

为了对比分析不同数字风洞对计算结果的影响，建立标准数字风洞(以下称 SD-WT)模拟车辆在正常道路上的行驶状态。风洞模型及车辆摆放位置如图11所示。

2.2 冷却模块及风扇模型建模方法

百叶窗式汽车散热器及冷凝器采用多孔介质模型模拟其厚度方向的压力降。通过测量流经散热器的空气流速与压力损失，拟合曲线后得出该换热器的惯性阻力系数和粘性阻力系数[3]。多孔介质阻力系数方程如下：

式中：α−1为粘性阻力系数，C2为惯性阻力系数，v为−z方向流体流速。

风扇模型使用 MRF(Multiple Reference Frame)方式模拟风扇转动[4]，本次仿真工况均模拟风扇以高转速运行，风扇转速设置为2,400,rpm。

2.3 模型网格划分

使用Star CCM+进行模型几何清理和网格划分，整个计算流体域采用 Trim 网格方式生成体网格，对关键位置和流动变化大的区域设置相应的加密域，保证重点部位(如保险杠进气格栅处)的几何特征。在车辆几何模型表面设置 2层边界层网格。整体网格尺寸2～512,mm，总网格数量1,300万左右。

3 计算结果分析

风速从0～60,kph，每间隔10,kph设置一个等速计算工况，共7个工况。在0,kph怠速工况时，给定一个极小的入口速度进行仿真，保证计算迭代收敛。

3.1 原型车仿真试验对比结果

表1所示为原型车在7种速度工况下，冷凝器前通风量的CFD仿真结果与试验结果。对比试验结果与仿真结果可以发现：仿真结果显示冷凝器通风量随车速变化的趋势与试验结果保持一致；原型车冷凝器通风量 CFD仿真结果整体比试验结果偏小，原型车仿真结果偏小6%,以内，见图12。

表1 原型车的冷凝器通风量 CFD仿真结果与试验结果对比表Tab.1 Comparison of CFD simulation results and test results of the condenser ventilation volume of the prototype vehicle

图12 原型车仿真结果与试验结果对比图Fig.12 Comparison of simulation results and test results of prototype vehicle

3.2 不同风洞模型仿真对比结果

如表2所示，在标准数字风洞模型中的 CFD仿真结果比在FTRD风洞模型中的CFD仿真结果偏小1%,左右。

表2 原型车在不同数字风洞中冷凝器通风量仿真结果对比表Tab.2 Comparison of air flow simulation results of condenser in different digital wind tunnels of prototype vehicle

3.3 改装车与原型车仿真对比结果

如表3所示，对比改款车与原型车在FTRD风洞模型中的仿真结果，在所有工况下，改款车的冷凝器通风量均比其原型车的通风量大，满足设计要求。

表3 改装车与原型车冷凝器通风量仿真结果对比表Tab.3 Comparison of ventilation simulation results between the modified vehicle and the prototype vehicle condenser

3.4 冷凝器前风速分布分析

冷凝器前风速分布也是影响冷凝效果的重要因素。在怠速工况下(0,kph)，改款车与其原型车风速分布基本一致，冷凝器的通风动力完全由冷却模块中的风扇提供。冷凝器与风扇重叠位置的通风量相对较大。当车辆在高速工况行驶时(如 60,kph)，冷凝器的通风动力一部分由风扇提供，一部分为车辆行驶过程中风强制通过保险杠格栅后进入冷凝器，所以此时格栅开口形状和风扇作用共同影响冷凝器风速分布。

4 试验结果验证

表4中A车表示原型车，B车表示改款车。试验结果表明，改款车与原型车的动力总成各零部件冷却结果相近，且都满足整车冷却性能要求。

表4 改装车与原型车冷凝器通风量仿真结果对比表Tab.4 Comparison of ventilation simulation results between the modified vehicle and the prototype vehicle condenser

5 结论及展望

本文基于 Star CCM+对某纯电动车及其原型车机舱内流场进行三维 CFD仿真计算，同时就冷凝器前通风量与试验进行了对比，并使用不同仿真数字风洞验证在风洞中的计算结果和实际道路中的差异，最后通过实车冷却性能试验验证改款车冷却性能，得出以下结论：CFD仿真精度可以满足分析要求，原型车冷凝器通风量仿真分析与实车试验相比精度为95%,；对比不同数字风洞中仿真结果的差异后，使用FTRD数字风洞模型进行 CFD仿真，其计算结果可以满足要求，偏差在 1%,左右；改款车格栅正投影面积在减小 12%,的情况下，冷凝器通风量仍不小于原型车冷凝器通风量，满足设计开发目标；通过环境风洞实车试验验证，改款车满足整车冷却性能要求。