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基于STAR-CCM+的汽車(chē)主動(dòng)格柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真
2020-08-03 22:48:38· 來(lái)源：汽車(chē)CFD技術(shù)之家
摘 要：本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM?對(duì)某車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算，在驗(yàn)證模型可信性后，通過(guò)方針計(jì)算得到并對(duì)比了不同格柵開(kāi)度下汽車(chē)風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)
摘 要：本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM?對(duì)某車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算，在驗(yàn)證模型可信性后，通過(guò)方針計(jì)算得到并對(duì)比了不同格柵開(kāi)度下汽車(chē)風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力場(chǎng)、速度流場(chǎng)分布情況，分析了風(fēng)阻及散熱器進(jìn)氣量隨格柵葉片開(kāi)度變 化的趨勢(shì)，根據(jù)樣車(chē)在不同工況下的實(shí)際情況與需要選擇了較為合理的格柵葉片開(kāi)啟角度控制方案。最后對(duì)不同工況下的格柵葉片開(kāi)度方案進(jìn)行了驗(yàn)證分析，證實(shí)了格柵葉片控制方案的可行性。
前言
主動(dòng)格柵系統(tǒng)是近年來(lái)新興的一項(xiàng)技術(shù)，它通過(guò)在不同工況下合理的控制進(jìn)氣格柵的開(kāi)啟角度，調(diào)節(jié)進(jìn)入進(jìn)氣格柵的冷卻風(fēng)量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)合適的工作溫度環(huán)境，并降低車(chē)輛行駛過(guò)程中的氣動(dòng)阻力提升整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，在車(chē)輛高速行駛時(shí)，對(duì)整車(chē)風(fēng)阻的降低及動(dòng)力性的提高有更為明顯的效果。
此外，配置主動(dòng)格柵系統(tǒng)還能有效降低CO等廢氣排放量，提升高速行駛時(shí)的動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)快速熱機(jī)等，提升整車(chē)駕駛性能。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而廣泛應(yīng)用的汽車(chē)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）具有限制條件少、信息豐富、成本低、周期短等顯著特點(diǎn)，并能夠得到大量試驗(yàn)技術(shù)難以獲得的信息，在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方面得到廣泛的應(yīng)用。
參考國(guó)內(nèi)外汽車(chē)主動(dòng)格柵系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM對(duì)某車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算，計(jì)算并對(duì)比了不同格柵開(kāi)度下汽車(chē)風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力場(chǎng)、速度流場(chǎng)分布情況，并對(duì)此進(jìn)行了分析研究。
1. 方案設(shè)計(jì)
主動(dòng)格柵葉片需要在不同的工況下實(shí)現(xiàn)葉片角度的切換，達(dá)到節(jié)省燃油消耗、提升動(dòng)力性等效果。為保證主動(dòng)格柵穩(wěn)定、持續(xù)地控制格柵葉片的開(kāi)啟角度，要避免格柵葉片的連續(xù)轉(zhuǎn)換，防止其過(guò)早老化，一般設(shè)計(jì)成4-5種固定角度的葉片開(kāi)度，來(lái)應(yīng)對(duì)不同運(yùn)行工況的格柵開(kāi)口面積需求。本文通過(guò)在環(huán)境溫度20℃，車(chē)速120km/h 的模擬實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)7種格柵葉片開(kāi)啟角度對(duì)冷卻風(fēng)量進(jìn)行控制，分別對(duì)7種狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，經(jīng)過(guò)詳細(xì)對(duì)比分析后選擇合適的格柵葉片開(kāi)度作為不同工況下主動(dòng)格柵系統(tǒng)的開(kāi)啟角度。根據(jù)方案選擇結(jié)果，分別模擬高速和低速行駛工況時(shí)對(duì)應(yīng)的格柵葉片開(kāi)度進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證選擇方案的可行性。
2. 計(jì)算模型的建立
2.1 車(chē)體幾何模型
對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)的車(chē)體表面及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，去除了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極小的細(xì)小管路、螺栓等，保留了發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車(chē)身、底盤(pán)的全部結(jié)構(gòu)。
2.2 AGS 幾何模型
根據(jù)樣車(chē)實(shí)際情況對(duì)主動(dòng)格柵模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。主動(dòng)格柵設(shè)圖1 主動(dòng)格柵模型圖2 計(jì)算域網(wǎng)格分布計(jì)成獨(dú)立的汽車(chē)進(jìn)氣格柵組成部分，便于在模型中進(jìn)行裝配和拆卸。格柵葉片為百葉窗結(jié)構(gòu)以方便調(diào)整開(kāi)啟角度，從而控制冷卻空氣流量。將格柵葉片全部關(guān)閉作為格柵葉片開(kāi)度為0°的狀態(tài)，相應(yīng)地，格柵葉片全部開(kāi)啟對(duì)應(yīng)葉片開(kāi)度90°。格柵葉片角度范圍內(nèi)變化。
2.3 網(wǎng)格劃分
在Hypermesh中對(duì)樣車(chē)CATIA模型完成基礎(chǔ)幾何清理、面網(wǎng)格劃分后，將幾何模型導(dǎo)入STAR-CCM?中進(jìn)行進(jìn)一步修整，并完成包面、面網(wǎng)格優(yōu)化及體網(wǎng)格劃分等操作。在樣車(chē)模型的不同區(qū)域根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不同的細(xì)化，采用不盡相同的網(wǎng)格尺寸。
車(chē)輛表面接觸高速氣流的部分邊界層設(shè)置為4層，不接觸高速氣流的部件表面邊界層設(shè)置為2層，并在車(chē)體前端、頂蓋、風(fēng)擋、后視鏡等需要精確計(jì)算的部分進(jìn)行局部體網(wǎng)格加密。全流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為3273萬(wàn)左右。圖2所示為內(nèi)外流場(chǎng)網(wǎng)格分布情況。發(fā)動(dòng)機(jī)艙為本次計(jì)算分析的重點(diǎn)，網(wǎng)格分布較為密集，能夠較好地捕捉復(fù)雜流動(dòng)。
2.4 邊界條件
本文采用K-Epsilon湍流模型設(shè)置邊界條件，空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式，迭代方式采用SIMPLE算法。設(shè)置計(jì)算與整車(chē)前面為速度入口，速度為120km/h，計(jì)算域出口為壓力出口邊界，其余為固壁。散熱器、冷凝器采用多孔介質(zhì)模型，冷卻風(fēng)扇不可旋轉(zhuǎn)。
2.5 模型可信性評(píng)估
對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)初始狀態(tài)（未配置主動(dòng)格柵系統(tǒng)）進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算。計(jì)算得到樣車(chē)模型風(fēng)阻系數(shù)Cd為0.3547，與實(shí)際試驗(yàn)樣車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果0.3464相比誤差僅為2.4?，同時(shí)仿真計(jì)算車(chē)身表面流線與風(fēng)洞試驗(yàn)煙流流動(dòng)趨勢(shì)相近，認(rèn)為計(jì)算模型可信，并將該狀態(tài)模型作為基準(zhǔn)，裝配主動(dòng)格柵系統(tǒng)后的模型與之進(jìn)行風(fēng)阻、車(chē)身表面流線圖、發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱流場(chǎng)等對(duì)比分析。
3. 風(fēng)阻分析
3.1 對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力的影響
在汽車(chē)行駛的一定速度范圍內(nèi)，車(chē)輛的外形保持不變的情況下，車(chē)輛的風(fēng)阻系數(shù)是一個(gè)固定值，不隨車(chē)速變化而變化，風(fēng)阻系數(shù)越低，汽車(chē)行駛受到的空氣阻力越小。但是當(dāng)進(jìn)氣格柵的開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，整車(chē)的外形隨之發(fā)生變化，因此車(chē)輛的風(fēng)阻系數(shù)也被改變。進(jìn)氣格柵布置位置的不同，進(jìn)氣格柵完全關(guān)閉一般比完全打開(kāi)時(shí)，風(fēng)阻系數(shù) Cd 值減少0.01 ～ 0.03。綜合風(fēng)阻與冷卻風(fēng)量等因素，在保證足夠的冷卻效果的前提下盡量降低風(fēng)阻，分別對(duì)格柵開(kāi)度為0°、15°、30 °、45°、60 °、75°、90 °的工況下利用CFD 計(jì)算軟件STAR-CCM?對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行風(fēng)阻計(jì)算，分析該車(chē)型主動(dòng)格柵葉片開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響。
為直觀的分析格柵葉片開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響，將表2中格柵葉片開(kāi)度0°到90°的風(fēng)阻系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合。擬合后風(fēng)阻系數(shù)隨格柵葉片開(kāi)度變化關(guān)系如圖3所示。
從圖中可以看出，格柵葉片開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響呈非線性關(guān)系。當(dāng)葉片開(kāi)度小于45°時(shí)，隨著格柵開(kāi)度的增加，風(fēng)阻系數(shù)呈上升趨勢(shì)，格柵葉片開(kāi)度的變化對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響較為明顯，格柵葉片開(kāi)度的大小對(duì)風(fēng)阻近似呈線性影響，通過(guò)減小葉片開(kāi)啟角度能夠得到風(fēng)阻系數(shù)的較大降低，在此范圍內(nèi)通過(guò)控制格柵葉片開(kāi)度可對(duì)風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行較大范圍的調(diào)節(jié)和控制，葉片角度在此區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻系數(shù)的明顯變化。在格柵開(kāi)啟角度在60°以上時(shí)，進(jìn)氣格柵允許進(jìn)入的冷卻空氣流量較大，葉片開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣流量的調(diào)節(jié)作用有限，格柵開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響變?nèi)?，改變格柵葉片開(kāi)啟角度后風(fēng)阻系數(shù)降低并不明顯，不適合在此范圍內(nèi)通過(guò)葉片開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻進(jìn)行控制。格柵葉片開(kāi)度在75°時(shí)出現(xiàn)風(fēng)阻系數(shù)過(guò)高的情況，除計(jì)算誤差的影響，該葉片開(kāi)啟角度附近增加主動(dòng)格柵后無(wú)法有效降低風(fēng)阻系數(shù)。
3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻性能的分析
由于冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行工況及轉(zhuǎn)速等風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)未知，無(wú)法準(zhǔn)確建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模型的邊界條件，溫度場(chǎng)模擬缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，在此通過(guò)分析主動(dòng)格柵系統(tǒng)格柵開(kāi)度對(duì)通過(guò)散熱器的冷卻風(fēng)量的影響、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻氣流流場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻性能進(jìn)行綜合分析。
3.2.1 速度場(chǎng)分析
汽車(chē)的內(nèi)部流場(chǎng)主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流的流動(dòng)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)的通暢，特別是通風(fēng)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱有著至關(guān)重要的作用。通過(guò)CFD計(jì)算后得到不同格柵開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)艙速度矢量圖。圖4所示為汽車(chē)縱向?qū)ΨQ面上，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體的流動(dòng)情況。
在圖4的氣流速度矢量圖中可以清晰的看出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體速度矢量。圖（4 a）所示，主動(dòng)格柵完全關(guān)閉時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙外氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣流幾乎沒(méi)有影響，只有少部分氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙后沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)表面流向發(fā)動(dòng)機(jī)后方。主動(dòng)格柵開(kāi)啟后，大量氣流涌入發(fā)動(dòng)機(jī)艙中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分進(jìn)行冷卻。在0°至15°區(qū)間內(nèi)隨格柵葉片開(kāi)啟角度變化，冷卻空氣對(duì)散熱器的冷卻效果較差，由圖4（b）可見(jiàn)，格柵開(kāi)啟15°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)幾乎沒(méi)有外界冷卻氣流的進(jìn)入及流動(dòng)，僅散熱器上端部分有氣流通過(guò)，氣流速度較低，而且在散熱器后方、發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)附近有漩渦存在，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)局部溫度過(guò)高，冷卻空氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻作用十分有限，不適合作為主動(dòng)格柵系統(tǒng)的格柵開(kāi)啟角度。開(kāi)啟30°后開(kāi)始有較多氣流通過(guò)散熱器，發(fā)揮空氣的冷卻作用。相比于格柵開(kāi)度45°的情況，格柵開(kāi)啟30°時(shí)氣流主要通過(guò)散熱器區(qū)域，冷卻氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響更小，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)后的冷卻氣流很少，在有效進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的同時(shí)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較少的損失。在格柵葉片開(kāi)啟75°時(shí)，氣流通過(guò)格柵時(shí)速度有局部加速的現(xiàn)象出現(xiàn)，并在進(jìn)氣格柵與主動(dòng)格柵葉片之間有局部湍流出現(xiàn)，氣流流動(dòng)受到影響，解釋了風(fēng)阻系數(shù)在75°附近增加的原因。通過(guò)格柵之后氣體的流動(dòng)趨勢(shì)與格柵葉片開(kāi)啟90°相近。通過(guò)格柵之后空氣流速較大，流動(dòng)順暢，均有較多氣體能夠通過(guò)散熱器和冷凝器實(shí)現(xiàn)散熱效果。
3.2.2 進(jìn)氣量分析
通過(guò)進(jìn)氣格柵的冷卻空氣一部分通過(guò)冷凝器、散熱器、冷卻風(fēng)扇等實(shí)現(xiàn)冷卻效果，在此將通過(guò)散熱器的冷卻氣流作為研究對(duì)象，對(duì)不同工況下通過(guò)冷凝器和散熱器的冷卻風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算后對(duì)比分析。通過(guò)計(jì)算得到的各格柵葉片開(kāi)度下通過(guò)冷凝器和散熱器的空氣流量如表格2所示。
為直觀的分析進(jìn)氣量隨格柵葉片開(kāi)度的變化，將各格柵葉片開(kāi)度下冷凝器、散熱器進(jìn)氣量進(jìn)行擬合，得到圖5所示進(jìn)氣量隨格柵葉片開(kāi)度變化的曲線圖。
主動(dòng)格柵開(kāi)啟角度對(duì)冷卻風(fēng)量的影響曲線如圖所示。由計(jì)算結(jié)果及曲線圖分析可知，格柵開(kāi)度對(duì)冷卻風(fēng)量的影響呈非線性變化，冷卻風(fēng)量隨著格柵開(kāi)啟角度的增加而增加，大致以60°作為分界點(diǎn)，當(dāng)格柵葉片開(kāi)啟角度逐漸增加后，格柵開(kāi)度對(duì)冷卻風(fēng)量的影響隨之減弱。格柵葉片開(kāi)度小于60°時(shí)，散熱器進(jìn)氣量隨葉片開(kāi)度的增加近似呈線性增加，當(dāng)葉片開(kāi)度大于60°時(shí)，隨著葉片開(kāi)度的增加，通過(guò)進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流量大幅降低，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體也有較大部分沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)表面流向發(fā)動(dòng)機(jī)后方，散熱器的進(jìn)氣量變化量很小。因此，選擇60°作為汽車(chē)低速行駛工況下的格柵開(kāi)度，降低汽車(chē)氣動(dòng)阻力的同時(shí)增加冷卻空氣進(jìn)氣量，減小冷卻風(fēng)扇功率消耗。
3.3.3 車(chē)身表面壓力分析
在計(jì)算后也可以得到計(jì)算域內(nèi)每一點(diǎn)的壓力矢量，與之相對(duì)應(yīng)的空間則稱為壓力場(chǎng)。為形象地描述流場(chǎng)中流體的具體流動(dòng)情況，用不同顏色代表不同的壓強(qiáng)大小值，紅色代表壓強(qiáng)值很大，藍(lán)色則代表壓強(qiáng)值很小，在STAR-CCM中做出壓力分布云圖。計(jì)算得到的車(chē)身表面壓力分布云圖如下圖所示。
圖6 不同格柵葉片開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
（a） -（ g）分別為格柵葉片開(kāi)度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖。
由圖6 a)所示，格柵葉片完全關(guān)閉時(shí)，汽車(chē)前端壓力集中在葉片處，在車(chē)輛高速行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的行駛阻力，影響車(chē)輛的動(dòng)力性能。隨著格柵葉片的開(kāi)啟，格柵葉片壓力不再集中并逐漸減小，壓力逐漸均勻分布到進(jìn)氣格柵各個(gè)部分。葉片開(kāi)啟30°之后開(kāi)始有壓力集中到散熱器部分，氣流通過(guò)散熱器帶走熱量達(dá)到冷卻效果。葉片開(kāi)啟角度逐漸增加后，通過(guò)格柵和散熱器的氣流逐漸增多，散熱器高壓范圍逐漸增加，散熱器對(duì)氣流的阻滯作用不斷加強(qiáng)，氣動(dòng)阻力逐漸增加。
因此，在高速行駛的狀態(tài)下，樣車(chē)的格柵葉片開(kāi)啟角度設(shè)置在30°，在滿足冷卻風(fēng)量的前提下盡量減小葉片開(kāi)啟角度，減少冷卻氣流帶走的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。低速行駛工況下可選擇60°作為葉片開(kāi)啟角度，在保證充足冷卻風(fēng)量的前提下降低風(fēng)阻系數(shù)，減少燃油消耗。
4. 控制方案驗(yàn)證分析
通過(guò)對(duì)汽車(chē)行駛速度為120km/h時(shí)，不同格柵開(kāi)度下汽車(chē)的風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻性能進(jìn)行了仿真計(jì)算及對(duì)比分析，制定出如下格柵葉片角度控制方案：
為準(zhǔn)確驗(yàn)證在不同工況時(shí)，相應(yīng)格柵開(kāi)度下汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻性能滿足需求，分別在車(chē)輛行駛速度為60km/h、140km/h時(shí)格柵開(kāi)度為0°、30°、60°、90°下進(jìn)行CFD 仿真計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
4.1 風(fēng)阻分析
將測(cè)試風(fēng)洞進(jìn)口空氣速度設(shè)置為60km/h、140km/h，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度同樣根據(jù)需求改動(dòng)，其他試驗(yàn)及邊界條件保持與原計(jì)算一致，進(jìn)行同樣的風(fēng)阻及冷卻性能計(jì)算。計(jì)算得到的風(fēng)阻系數(shù)整理如圖所示。
從計(jì)算得到的風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果可以看出，不同速度下汽車(chē)風(fēng)阻系數(shù)略有變化，但隨格柵葉片開(kāi)啟角度的變化趨勢(shì)相似。在汽車(chē)行駛速度60km/h 的行駛工況下，格柵開(kāi)啟60°相比于格柵全開(kāi)風(fēng)阻有所降低；在汽車(chē)高速行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°時(shí)能夠達(dá)到明顯降低風(fēng)阻的效果。低速行駛時(shí)，外界環(huán)境對(duì)汽車(chē)行駛阻力的影響較大，計(jì)算得到的風(fēng)阻系數(shù)與高速工況下稍有差別，但風(fēng)阻系數(shù)對(duì)格柵葉片開(kāi)度變化趨勢(shì)整體一致；在高速工況下風(fēng)阻系數(shù)較為穩(wěn)定，速度變化對(duì)風(fēng)阻系數(shù)影響較小，140km/h與120km/h速度下風(fēng)阻系數(shù)十分接近，且格柵葉片開(kāi)度對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響趨勢(shì)趨于一致。
4.2 速度場(chǎng)及冷卻性能分析
汽車(chē)以60km/h的速度低速行駛時(shí)，行駛阻力中僅有約50?左右來(lái)自于氣動(dòng)阻力，通過(guò)降低風(fēng)阻系數(shù)來(lái)降低行駛阻力、提升汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性效果十分有限，在此主要對(duì)該工況下格柵葉片開(kāi)啟60°時(shí)的速度場(chǎng)及冷卻性能進(jìn)行分析。
汽車(chē)以140km/h 的速度高速行駛時(shí)，空氣阻力約占汽車(chē)行駛阻力的85%，通過(guò)降低風(fēng)阻系數(shù)能夠有效降低氣動(dòng)阻力，減少燃油消耗，提升動(dòng)力性。風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明高速行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)阻系數(shù)的顯著減小，下面對(duì)高速工況下格柵葉片開(kāi)啟30°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻性能進(jìn)行分析。
通過(guò)冷凝器和散熱器的冷卻空氣量如下表所示。將3種速度工況下進(jìn)氣量整理后可得圖8所示曲線圖。
由圖表對(duì)比可知，在不同行駛速度下，冷凝器和散熱器的冷卻空氣進(jìn)氣量隨格柵葉片的變化趨勢(shì)近似，隨著速度的增加，進(jìn)氣量也相應(yīng)增加。圖中紅色標(biāo)記為高速和低速工況下選取的格柵葉片開(kāi)啟方案，可以直觀的看出，該種開(kāi)啟方案能夠保證汽車(chē)在行駛時(shí)冷卻空氣進(jìn)氣量始終穩(wěn)定保持一定范圍內(nèi)，保證充足的冷卻空氣量，同時(shí)保證格柵葉片開(kāi)度的變化不會(huì)造成冷卻空氣進(jìn)氣量的劇烈變化，并隨著車(chē)速的增加，進(jìn)氣量也有所增加，較好地避免了對(duì)風(fēng)扇控制策略的影響，使格柵葉片可以根據(jù)使用需求獨(dú)立進(jìn)行控制，降低外界因素的制約。不同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙速度場(chǎng)進(jìn)行了如圖對(duì)比分析：
圖7 車(chē)速60km/h 時(shí)不同格柵葉片開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
（a） -（ d）分別為格柵葉片開(kāi)度0°、30°、60°、90°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙速度矢量圖
在60km/h即模擬低速行駛的行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°以下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)附近冷卻效果較差，冷卻空氣僅對(duì)散熱器和冷凝器部分進(jìn)行冷卻，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻氣流十分有限。格柵葉片開(kāi)啟60°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻氣流流動(dòng)狀態(tài)相似，冷卻空氣大量流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，在散熱器上形成較大范圍的散熱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)充足的冷卻效果；發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)低速渦流相對(duì)較少，能夠較好的防止發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件發(fā)生局部過(guò)熱情況的發(fā)生。
圖8 車(chē)速140km/h 時(shí)不同格柵葉片開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
（a） -（ d）分別為格柵葉片開(kāi)度0°、30°、60°、90°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙速度矢量圖
在140km/h即模擬高速行駛的行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°時(shí)，進(jìn)入格柵的冷卻氣流受到格柵葉片的引導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋處，流速較快，氣流通過(guò)順暢。通過(guò)進(jìn)氣格柵流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣體，一部分流進(jìn)散熱器的部分對(duì)散熱器進(jìn)行有效的冷卻，未進(jìn)入散熱器的氣體則沿發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)側(cè)艙蓋流向發(fā)動(dòng)機(jī)后方，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)M(jìn)行冷卻。格柵葉片開(kāi)啟角度過(guò)低，幾乎沒(méi)有冷卻氣流流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，給發(fā)動(dòng)機(jī)散熱造成巨大負(fù)擔(dān)。由圖9 (c)、(d)可見(jiàn)，格柵葉片開(kāi)啟角度過(guò)大，在高速行駛時(shí)有大量冷卻氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，雖達(dá)到良好的散熱效果，但帶走大量發(fā)動(dòng)機(jī)熱量，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度容易低于最佳工作溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。
4.3 壓力場(chǎng)分析
仿真計(jì)算得到的60km/h、140km/h 速度下發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖如圖9、圖10所示。
圖9 60km/h 速度下不同格柵葉片開(kāi)度發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
（a） -（ d） 分別為格柵葉片開(kāi)度0°、30°、60°、90°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
圖10 140km/h 速度下不同格柵葉片開(kāi)度發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
（a） -（ d） 分別為格柵葉片開(kāi)度0°、30°、60°、90°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙壓力云圖
經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知，在高速行駛的工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°時(shí)車(chē)輛前端壓力區(qū)略有增加，但增長(zhǎng)幅度及范圍較小；發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻空氣對(duì)散熱器造成小范圍，提供一定程度的冷卻能力。在低速行駛的工況下，格柵葉片開(kāi)啟60°時(shí)實(shí)現(xiàn)了散熱器較大范圍的壓力集中 ，冷卻空氣對(duì)散熱器的冷卻效果較好。
綜合上述分析，指定的格柵葉片開(kāi)度方案合理可行，試驗(yàn)樣車(chē)在低速行駛工況下將格柵葉片開(kāi)啟60°較為合理，不僅能夠在一定程度上降低風(fēng)阻，提升動(dòng)力性，同時(shí)能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求的同時(shí)，分擔(dān)散熱風(fēng)扇散熱效果，維持發(fā)動(dòng)機(jī)合理的工作溫度；在高速行駛工況下選擇30°作為格柵葉片開(kāi)度，降低風(fēng)阻的同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)艙充足的冷卻風(fēng)量，節(jié)省車(chē)輛高速行駛時(shí)的燃油消耗。
5. 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)不同格柵葉片角度下樣車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)、冷卻性能等進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)工況的格柵葉片開(kāi)度進(jìn)行仿真計(jì)算與分析驗(yàn)證后，得到如下格柵葉片控制方案：
(1) 在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，格柵葉片全部關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速熱機(jī)；
(2) 在高度行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟30°，在滿足冷卻需求的前提下得到更低的氣動(dòng)阻力；
(3) 在低速行駛工況下，格柵葉片開(kāi)啟60°，在降低風(fēng)阻的同時(shí)獲得較大的冷卻空氣量；
(4) 在強(qiáng)加速、空調(diào)開(kāi)啟等高功率情況，格柵葉片完全開(kāi)啟，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)最大冷卻效果。
作者：劉學(xué)龍1，高岳1，楊彬2
1. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心
2. 合肥工業(yè)大學(xué)
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