CFD仿真软件在重卡护风罩设计中的应用

殷玉先

（北汽重型汽车有限公司，江苏 常州 213000）

在重卡冷却系统开发设计中，冷却模块护风罩的设计十分重要，不同的结构尺寸会使得通过散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速不同，平均风速越高，带走的热量越多，散热器、中冷器和冷凝器展现的换热能力越强。在以往重卡冷却系统开发过程中，冷却模块护风罩往往凭经验设计，很难确定所设计的护风罩是否合理。

近年来，随着计算机技术的蓬勃发展，计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）得到了广泛的应用。CFD是在经典力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的新兴学科。它是目前解决三维流动问题的重要手段，以往需要通过大量试验得到的流动信息可以通过模拟计算获得。与试验数据相比较，计算结果的准确性和可靠性取得了令人满意的结果。

本文以国内某重卡冷却模块护风罩为研究对象，利用计算流体学分析软件CFD STAR CCM+，分别得到在扭矩点和功率点两种工况下通过散热器、中冷器、冷凝器芯体表面的平均风速，然后根据平均风速的仿真结果，选择尺寸合适的护风罩。

1 整车、发动机、冷却系统、护风罩的基本参数

1.整车基本参数

车速：24 km/h；前围格栅通风率：19%。

2.发动机基本参数

功率点转速：1 900 r/min；扭矩点转速：1 100 r/min。

3.冷却系统基本参数

冷却系统基本参数如表1所示。

表1 冷却系统基本参数

护风罩：护风罩端面相对于风扇断面的尺寸保持不变，仅改变护风罩对风扇的遮挡比例，各种状态下护风罩对风扇的遮挡图片分别如图1所示。图1中，a中护风罩对风扇遮挡比例为20%；b中护风罩对风扇遮挡比例为40%；c中护风罩对风扇遮挡比例为60%；d中护风罩对风扇遮挡比例为80%；e中护风罩对风扇遮挡比例为100%。

图1 各种状态下护风罩对风扇的遮挡示意图

2 冷却系统和发动机舱的CFD模拟分析

2.1 几何模型与计算网格的建立

本文应用三维计算机辅助设计软件Catia建立冷却系统和发动机舱的几何模型，其中包括冷却模块（散热器、中冷器、冷凝器）、风扇、发动机、进气格栅等，整车模型如图2所示。

图2 整车模型

由于整车模型比较复杂，完全按照其真实实体建立模型比较困难，因此在保证不对模拟计算结果产生很大影响的前提下，对几何模型进行一些简单处理（简化后的模型如图3所示），具体 简化方法是：（1）用等效通风率的前围格栅模型替代现有的格栅数模；（2）去掉车轮，油箱、传动轴等对流动影响较小的部件。

图3 简化后的几何模型

网格是CFD模拟与分析的载体，网格的质量直接影响CFD的计算精度和计算效率。网格分为结构化和非结构化两大类。结构化网格主要是六面体网格单元，非结构化网格包括四面体和五面体网格。考虑到几何模型比较复杂，本文应用六面体trimmer网格划分方式，可以大大提高网格划分质量和计算精度，同时应用棱柱体网格（prim）模拟风扇叶片的流动边界层。计算模型的总网格数约为330万，具体网格如图4所示。

图4 几何模型划分后的网格

2.2 模拟分析方法及边界条件

本文采用三维计算分析软件STAR CCM+对研究对象进行模拟分析，将标准K-Omega模型与多重坐标系模型结合，并将冷却模块（含散热器、中冷器、冷凝器）设定为多孔介质，可较好地模拟风扇的工作状态。同时为了提高计算精度，在风扇扇叶壁面附近用壁面函数法来描述壁面附近边界层流体速度、压力等分布。计算机模型所取的边界条件如表2所示。

表2 计算机模型所取的边界条件

计算模拟过程采用稳态计算，16 G内存的计算机经过12个小时的计算，结果收敛。

2.3 CFD仿真计算结果

（1）当护风罩对风扇的遮挡比例为20%时，发动机扭矩点和功率点工况下流经散热器、中冷器、冷凝器表面的平均风速如表3所示。

表3 流经散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速

（2）当护风罩对风扇的遮挡比例为40%时，发动机扭矩点和功率点工况下流经散热器、中冷器、冷凝器表面的平均风速如表4所示。

表4 流经散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速

（3）当护风罩对风扇的遮挡比例为60%时，发动机扭矩点和功率点工况下流经散热器、中冷器、冷凝器表面的平均风速如表5所示。

表5 流经散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速

（4）当护风罩对风扇的遮挡比例为80%时，发动机扭矩点和功率点工况下流经散热器、中冷器、冷凝器表面的平均风速如表6所示。

表6 流经散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速

（5）当护风罩对风扇的遮挡比例为100%时，发动机扭矩点和功率点工况下流经散热器、中冷器、冷凝器表面的平均风速如表7所示。

表7 流经散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速

2.4 CFD仿真结果分析

（1）在发动机扭矩点（风扇转速1 201 r/min）工况下，护风罩对风扇的覆盖比例与散热器、中冷器、冷凝器芯体表面平均风速的关系曲线如图5所示。

图5 护风罩对风扇遮挡比例与冷却模块 平均风速的关系

从图中可知，护风罩对风扇遮挡比例在20%～43%时，散热器、中冷器、冷凝器芯体表面平均风速随遮挡比例的增加而增加；护风罩对风扇遮挡比例在43%～100%时，散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速随遮挡比例的增加而减小。

冷却模块的换热量公式为

其中，代表热量，为比热容，为空气密度，为冷却模块芯体正面积，为通过冷却模块芯体表面平均风速。

从式（1）中可以得知，冷却模块的换热量与芯体表面风速成正比。即护风罩对风扇遮挡比例在20%～43%时，散热器、中冷器、冷凝器的换热量随遮挡比例的增加而增加；护风罩对风扇遮挡比例在43%～100%时，散热器、中冷器、冷凝器的换热量随遮挡比例的增加而减小。

（2）在发动机功率点（风扇转速2 075 r/min）工况下，护风罩对风扇的覆盖比例与散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速的关系曲线如图6所示。

图6 护风罩对风扇遮挡比例与冷却模块平均风速的关系

3 结论

（1）文章应用CFD软件STAR CCM+对某重卡自卸车冷却系统进行模拟计算，获得了功率点和扭矩点工况下通过散热器、中冷器和冷凝器芯体表面的平均风速。

（2）在发动机扭矩点（风扇转速1 201 r/min）和功率点工况（风扇转速2 075 r/min）下，护风罩对风扇遮挡比例在20%～43%时，散热器、中冷器、冷凝器芯体表面平均风速随遮挡比例的增加而增加；护风罩对风扇遮挡比例在43%～100%时，散热器、中冷器、冷凝器表面平均风速随遮挡比例的增加而减小。

（3）在发动机扭矩点（风扇转速1 201 r/min）和功率点工况（风扇转速2 075 r/min）下，护风罩对风扇遮挡比例在20%～43%时，散热器、中冷器、冷凝器的换热量随遮挡比例的增加而增加；护风罩对风扇遮挡比例在43%～100%时，散热器、中冷器、冷凝器的换热量随遮挡比例的增加而减小。

（4）从仿真分析结果看，CFD仿真软件STAR CCM+可以量化护风罩对冷却模块表面平均风速的影响，能支持护风罩设计的正向开发，相对于早期的经验设计，大大提高了设计效率。