通过CFD分析平衡汽车热性能和空气动力性能

冯燕燕 李义林 王丽华

（重庆长安汽车股份有限公司）

目前，计算流体动力学（CFD）技术已成为汽车领域不可或缺的研究分析工具。从90年代开始，CFD技术先后被用于车辆气动阻力及热性能方面的模拟分析[1]。传统分析时，车辆热性能和气动阻力特性分析常需采用2套不同的CFD模型。本研究建立一套CFD模型同时对整车热性能和气动性能进行计算分析，在模拟汽车冷却性能的基础上，扩展分析车身气流阻力特性，并保证后者的结果在合理的可信范围内，以平衡2种性能，使汽车性能达到良好状态。文章从CFD模型与求解方法、方案分析及综合分析3个方面进行论述。

1 模型与求解方法

CFD模型将以汽车前端冷却模块区域为重点，对该区域网格进行加密处理，而对发动机舱及后底盘做适当简化处理。模型网格划分采用四面体网格，模型车身壁面设置边界层。CFD模拟重要边界包括：1）散热器芯体，采用多孔介质边界，其压降特性曲线，如图1所示；2）风扇效应，采用压强跃升模型[2]，其压降特性曲线，如图2所示。

文章以70，100，180 km/h 3种车速工况进行汽车冷却性能的模拟；以180 km/h车速工况作为代表进行车身气动阻力特性的模拟。具体的数值计算步骤是：首先，在绝热状态下，对计算域进行迭代计算，生成一个稳定的初始流场分布；然后，激活能量方程进行耦合迭代。求解器湍流模型选择标准κ-ε模型，变量离散格式采用二阶迎风格式[3]。

2 案例介绍

为了充分说明本分析的方法，以高性能散热器作为参照，对3种不同方案模型进行模拟比较分析，如表1所示。其中高性能散热器与中性能散热器的相关换热性能参数，如图3所示。

表1 汽车前端散热优化方案介绍

3 结果分析

3.1 冷却性能分析

图4～图6分别示出3种方案散热器上部冷却液温度、流经散热器气流速率及发动机舱进气温度变化值比较。对比图4～图6可以看出：1）对于方案1，去除车牌照时，3种车速工况散热器上部水箱内冷却液的温度均有下降趋势，车速180km/h工况下降幅度达0.5℃，如图4所示。另外，由于通过散热器冷空气量增大，如图5所示，导致进入发动机舱空气温度有所降低，如图6所示。2）对于方案2，更换中等性能散热器后，尽管由于气流压降减小，通过散热器气流量增大，但未弥补散热器散热效率较差的影响，整体冷却性能下降。3）对于方案3，去除汽车标志有利于发动机冷却。具体表现为：散热器上部水箱内冷却液的温度下降1℃左右，而进入发动机舱的气流温度大约下降2℃，且通过散热器的气流量增加约3%。

3.2 气动阻力分析

图7和图8分别示出3种方案在车速为180 km/h工况时，车身总的空气阻力变化及总阻力分解后的结果。从图7和图8中可知：1）对于方案1，车牌照对车身空气阻力的影响不大，主要是因为车身壁面所贡献的阻力大小与热交换器和风扇叶片的贡献值相当；2）对于方案2，更换散热器后，热交换器阻力减小，但由于车身壁面和风扇叶片阻力增大明显，因此，汽车总的空气阻力增大，风阻系数约为0.008；3）方案3与方案1结果相似，说明汽车标志对车身空气阻力的影响不显著。

3.3 综合分析

由于文中CFD模型同时模拟了汽车散热器热交换过程和车身空气阻力特性，因此可以进行综合分析，通过平衡冷却性能和气动阻力2种特性结果，以提高汽车的综合性能。

对比图6和图7中方案2的模拟结果可知，虽然进入发动机舱的气流温度有降低趋势，但车身气流阻力却相应地增大。因此，若想降低成本，将高等性能散热器更换成中等性能散热器，就需接受散热器上部冷却液的温度上升2℃。因此，在汽车研发过程中，需要综合考虑车辆散热性和空气动力阻力特性，找到各影响因子的平衡点，得到最佳方案。另外，从图7可以看出，方案1和方案3的车身阻力改变值大小近似，但方案3的冷却性能要比方案1的好，如图4所示。

4 结论

汽车性能综合分析方法较传统单一指标分析方法更全面与合理，有利于研究人员对汽车性能做更详细和真实的评价。文章基于商用Fluent软件，建立了统一的CFD模型，同时对某一车型汽车冷却性能和空气阻力特性进行了模拟，综合考虑2种性能分析结果，认为方案3要比方案1更优，更具有实际操作价值。采用综合分析方法，实现了在保证不明显增加风阻的前提下，提高了发动机冷却性能的目标。在汽车冷却性能开发方面有一定实际借鉴意义。