石 巖，李 耀，許佩佩

（1.徐州徐工汽車制造有限公司技術(shù)中心，徐州221600；2.南京航空航天大學民航/飛行學院，南京210016）

前言

隨著排放標準的升級，重型商用車所匹配的國六柴油發(fā)動機的散熱量相對于國五柴油機顯著提升。而考慮美觀性、舒適性，前置商用車進氣格柵面積與機艙空間被設(shè)計的越來越小［1］。同時，為了提升動力性、經(jīng)濟性、舒適性，更多的發(fā)熱設(shè)備置于機艙內(nèi)，這些都對商用車的冷卻性能提出了更高的要求。因此，對機艙內(nèi)氣流的引導(dǎo)和流場特性研究很有必要，也逐漸成為商用車冷卻系統(tǒng)設(shè)計的一項重要工作。

計算流體力學（computational fliud dynamics，CFD）的應(yīng)用，使仿真技術(shù)成為一種快速、有效的研究手段［2］，國內(nèi)外研究人員已利用該技術(shù)開展了大量的研究工作。

唐榮江等［3］對商用車冷卻風扇進行了研究，通過對風扇的優(yōu)化，將風扇噪聲降低2.7 dB。于淼淼等［4］在護風圈選型方向開展了大量工作，得出了護風圈關(guān)鍵因子與風量的關(guān)系。Patidar等［5］利用CFD技術(shù)對冷卻模塊的優(yōu)化進行了相關(guān)研究。郭健忠等［6］利用一維/三維聯(lián)合仿真模擬機艙熱管理，并開展了道路試驗對標工作。

大多數(shù)的研究工作適合于新車型設(shè)計階段開展，而對于已開發(fā)車型，須在設(shè)計變動較小的情況下，有效提升冷卻性能。本文中在已開發(fā)車型的標配護風圈基礎(chǔ)上增添一個導(dǎo)流罩，并通過CFD技術(shù)研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻風量與熱風回流量的影響，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式，并通過道路試驗驗證了方案的有效性。

1 整車CFD仿真

整車氣動性能標定在吉林大學汽車風洞實驗室進行。試驗使用1/4縮比模型，如圖1所示，建立相應(yīng)的仿真分析模型，如圖2所示，試驗測點布置見圖3。仿真得到的風阻系數(shù)與風洞測試結(jié)果誤差低于2%，圖4為沿車身長度方向表面壓力系數(shù)CP仿真與試驗結(jié)果的對比。由圖可見，兩者高度吻合，說明計算精度滿足工程要求，所采用的模型和方法可用來對發(fā)動機艙的流場進行仿真。

圖1 整車1/4縮比模型

圖2 仿真分析模型

圖3 測點布置圖

圖4 表面壓力系數(shù)圖（中對稱面）

2 機艙流場CFD仿真

2.1 控制方程

機艙內(nèi)冷卻空氣流速較低，溫度區(qū)間內(nèi)密度變化較小，因此，流場內(nèi)空氣可視為不可壓縮狀態(tài)，控制方程選用三維不可壓縮N-S方程。由于冷卻風扇工作狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)抽吸作用引起的湍流和高旋度物理效應(yīng)，故選用κ-ε湍流模型進行模擬［7］，數(shù)學模型從略。

2.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

圖5和圖6分別為牽引車的仿真模型及其機艙流場仿真模型局部放大網(wǎng)格圖。保留機艙內(nèi)零部件，去除遮陽板等對冷卻風量計算影響較小的零部件，車架縱梁減重孔封閉，其他影響較小的管線路等去除，以降低網(wǎng)格數(shù)，提升計算效率。網(wǎng)格尺寸：前格柵為1~2 mm，空調(diào)冷凝器、中冷器、散熱器和散熱風扇等為4~8 mm，車身其他位置與車架等部件為8~16 mm網(wǎng)格尺寸，遠場網(wǎng)格尺寸為200 mm，建立4層加密區(qū)域，邊界層網(wǎng)格數(shù)為3層，邊界層網(wǎng)格厚度為1 mm，體網(wǎng)格數(shù)量共約2 100萬。

圖5 牽引車仿真模型

圖6 機艙仿真模型局部放大網(wǎng)格

2.3 仿真結(jié)果

采用軟件Starccm+進行CFD仿真，原機（帶標配護風圈）機艙氣流仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 原機機艙氣流流線圖

可以看出，冷卻風經(jīng)冷凝器、中冷器和散熱器加熱后由風扇末端流出，由于受風扇旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和發(fā)動機前端的撞擊作用，反向流向散熱器上部及其左右側(cè)。受風扇前后壓差的作用，回流再次進入冷卻系統(tǒng)，圖8更清楚地示出熱風回流的情形。氣流依次循環(huán)，導(dǎo)致較差的冷卻效果。

圖8 熱風回流示意圖

3 導(dǎo)流罩設(shè)計與優(yōu)化

為解決熱風回流問題，改善冷卻效果，在原標配護風圈的基礎(chǔ)上，增添一段導(dǎo)流罩，其示意圖如圖9所示。

圖9 導(dǎo)流罩剖面示意圖

整個導(dǎo)流罩剖面分為A、B段。因風扇與散熱器距離固定，故b為定值120 mm；內(nèi)徑d也為定值775 mm；a、h、H為可變參數(shù)。

初始設(shè)計方案為：a=90 mm，b（定值）=120 mm，H=83 mm，h=0。通過調(diào)節(jié)a、h、H3個可變元素，共設(shè)計14種方案進行對比分析。

3.1 h因子影響性

h因子主要涉及導(dǎo)流罩B段的斜角。以5 mm為間隔，調(diào)整h因子大小，計算結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 h因子對冷卻風量的影響

圖11 h因子對熱風回流量的影響

由圖10可見：導(dǎo)流罩B段由下壓至水平，再至上翹的過程中，隨著h的增大，冷卻風量呈先減少后增大，最后平穩(wěn)，雖在h=5 mm時，冷卻風量有個最大值，但數(shù)據(jù)變化量很小，差別不足1%；由圖11可見，隨著h的增大，熱風回流量呈現(xiàn)先減小后持續(xù)增大的趨勢，h=0時，熱風回流量最小。

3.2 H因子的影響

H因子主要影響A段的斜角。在原有基礎(chǔ)上，H因子增大15 mm，計算結(jié)果顯示，冷卻風量提升僅0.3%，熱風回流量僅降低0.2%。因負方向調(diào)整空間有限，故不作調(diào)整。

3.3 a因子的影響

a因子影響A段長度和B段的長度和斜角。以10 mm為間隔，調(diào)整a因子長度值，計算結(jié)果如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可見：其他量不變時，a因子存在最優(yōu)值，當a為60 mm時，冷卻風量提升的同時，伴隨較少的熱風回流現(xiàn)象。

圖12 a因子對冷卻風量的影響

圖13 a因子對熱風回流量的影響

綜合考慮空間布置和散熱性能，導(dǎo)流罩各參數(shù)選定為：a=60 mm、H=98 mm、h=0，仿真得到的機艙氣流流線圖如圖14所示。與圖7對比可見，增加導(dǎo)流罩后，熱風回流現(xiàn)象得到較好的抑制，熱風回流量降低約40.45%，并伴有冷卻風量提升約2%的效果。

圖14 加裝導(dǎo)流罩后的流線圖

3.4 風扇速比提升的影響

為對比導(dǎo)流罩的效果，同時對風扇速比提升的影響做了一定的分析，計算結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 不同風扇速比下的冷卻風量

圖16 不同風扇速比下的熱風回流量

計算結(jié)果表明：冷卻風量和熱風回流量都隨著風扇速比增大而提升。冷卻風量提升所帶來的散熱性能提升會被熱風回流現(xiàn)象而抵消。

為進一步驗證導(dǎo)流罩、風扇速比對散熱性能的提升效果，通過熱平衡道路試驗予以驗證。

4 試驗驗證

4.1 模型設(shè)計與試制

按照計算方案確定的參數(shù)，繪制基本模型，根據(jù)原車狀態(tài)，預(yù)留水管和氣管通道。表面設(shè)置加強筋以增強結(jié)構(gòu)強度，采用3D打印技術(shù)快速成型，數(shù)模和試裝如圖17和圖18所示。

圖17 導(dǎo)流罩數(shù)模

圖18 快成件試裝

4.2 道路測試與結(jié)果分析

按照圖19所示位置安裝溫度傳感器，試驗樣車用牽引繩拖帶一輛礦用載貨車連接，如圖20所示。樣車使用2擋牽引行駛，礦用車按要求適應(yīng)行駛，逐漸加載，樣車油門踩到底時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最大轉(zhuǎn)矩點轉(zhuǎn)速。試驗過程中樣車保持勻速直線行駛，連續(xù)5 min各冷卻介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值不再變化時，車輛達到熱平衡，停止試驗，保存各參數(shù)數(shù)據(jù)（雙向分別行駛，取平均值），試驗結(jié)果如表1所示。

圖19 傳感器安裝位置

圖20 熱平衡試驗

表1 道路測試結(jié)果 ℃

風扇速比由1.218提升至1.3，極限環(huán)境使用溫度僅提升1.9℃。分析原因：雖冷卻風量大幅提升，但熱風回流量同步提升，導(dǎo)致進風品質(zhì)下降（冷凝器前部溫度較環(huán)境溫度仍高6℃以上），且伴有功耗增大、風扇離合器壽命降低的風險。

所設(shè)計的導(dǎo)流罩具有較好的導(dǎo)流效果，回流區(qū)溫度較環(huán)境溫度僅高2℃左右，許用極限環(huán)境溫度提升3.4℃，冷卻效果提升較理想，且對功耗和相關(guān)附件使用壽命無影響。

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬技術(shù)可以快速、有效地進行機艙流場特性研究和散熱性能的優(yōu)化，從而降低車輛在大轉(zhuǎn)矩工況下水溫過高引起的“開鍋”風險。

（2）熱風回流現(xiàn)象嚴重影響車輛散熱性能，需要抑制風扇末端熱風返流現(xiàn)象，增添導(dǎo)流罩能較好地引導(dǎo)熱風流向車輛后方區(qū)域，從而提升散熱性能。

（3）導(dǎo)流罩的效果受多個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，通過試驗設(shè)計匹配CFD技術(shù)，可快速得到較優(yōu)方案。