基于CFD的某轻客中冷器性能三维、一维耦合分析

刘聪聪，胡杰，吴昌庆

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CFD的某轻客中冷器性能三维、一维耦合分析

刘聪聪，胡杰，吴昌庆

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用商用三维计算流体力学(CFD)软件和一维仿真软件相结合，对某型车机舱内外流场进行模拟分析，得到中冷器周围流场特性，并对流场进行优化，提升通过中冷器的风量。然后通过一维软件对中冷器在整车上的性能进行分析并与实验数据进行对比，结果表明，分析结果与实验结果吻合度较高。

CFD；机舱内外流场；中冷器三维；一维耦合

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-130-03

前言

随着汽车工业己经发展到比较完善的程度，由于非再生能源的紧缺、环境污染的日益严重以及人们生活水平的提高，人们越来越关注汽车尾气污染等排放问题，不再仅仅满足于汽车动力性能和燃油经济性能的提高，同时国家对汽车排放标准的要求也越来越严格，发动机排放性能已经成为汽车设计中一个重要指标。增压中冷系统不仅可以提高发动机功率，还能够显著地降低污染物，对于改善和优化发动机的动力性、经济性和排放性能具有重要的意义。

目前，大多数对中冷器性能的研究主要集中在提高中冷器本体性能，如李志刚对中冷器单体性能进行了优化设计和匹配研究[1]；崔洪江、史双佶、刘俊杰等对对增压空气侧阻力性能和空气散热量进行了数值分析[2]。

试验和数值模拟（CFD）是研究中冷器性能的主要手段。数值模拟相比于试验，其成本较低。随着计算机硬件技术的发展，数值模拟计算精度不断提高，完全可以满足工程需求，在车型开发前期，方案选取时，能发挥重要作用。本文先采用数值模拟的方式对中冷器在整车上的性能进行研究分析，并提出相关优化方案，使中冷器性能在整车上满足其使用要求，然后进行实车实验验证。

数值模拟CFD方法是汽车外部复杂流场的主要研究方法之一。求解雷诺平均NS方程是当前数值计算的主要方法，需补充湍流模型对方程进行封闭。湍流模型对于数值模拟汽车外流场的精度具有决定性影响。研究表明选用RNG kε湍流模型的效果较好，这种模型通过修正湍流粘度考虑了平均流动中的旋转流动情况，本文即选用RNG k-ε湍流模型[3-7]。

1 基本方程和湍流模型

汽车车速一般远低于声速，因而汽车周围流场可以看作是三维不可压缩流场，由于其外形复杂容易引起分离，所以应按湍流处理。

其控制方程如下：

（1）连续方程

（2）运动方程

在RNG k-ε模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度有系统的从控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程，与标准k-ε模型非常相似。

湍流动能k方程：

湍动耗散率ε方程：

其中，

2 一维三维耦合流程

图1 一维三维耦合流程

先对整车机舱内外流场进行分析。得到整车上中冷器周围流场分布和通过中冷器的风量→一维中冷器性能分析→优化三维流场，提升中冷器风量→优化后中冷器性能分析。

3 计算域与边界条件

应用CFD方法进行数值模拟需要确定计算域的大小，整除流场数值模拟的计算域外轮廓为一个长方体形状，汽车位于长方体中的某个位置，用来模拟汽车风洞试验段或者道路试验情况。根据汽车外流场的特点、计算经验和计算成本，可选择计算域大小为：入口距车辆前端3倍车长，出口距车辆后端6倍车长，总高度为4倍车高，总宽度为7倍车宽。

计算工况为：60km/h爬坡工况和130km/h高速工况。湍流强度0.5%；出口压力为p=0（相对于大气压）；考虑到地面效应对汽车底部的气流的影响，设置地面速度与来流大小方向相同；车身表面为固壁无滑移条件，其余流场壁面采用滑移条件；轮胎采用旋转壁面；中冷器、冷凝器、散热器采用多孔介质模型；风扇采用MRF模型。

4 仿真结果与分析

4.1 三维流场计算分析与优化

该车型中冷器与冷凝器、散热器采用上下布置形式。中冷器冷侧进气主要依靠下格栅，而且中冷器周围已设计有导风圈，因此下格栅进气量的多少直接影响到中冷器冷侧进气量，从而影响中冷器性能。

图2为原始模型分析结果。从图中可以看到，前方来流流经下格栅上方前保时，受前保的阻挡，部分气流向上流入上格栅，部分气流向下流动，由于下格栅下方比较靠后而下格栅上方比较靠前，导致被前保阻挡而向下流动的气流很少一部分可以通过下格栅进入机舱通过中冷器，通过中冷器冷侧的进气量少，导致中冷器换热性能差，最终将不能满足中冷器在整车上的性能要求。

图2 原始模型分析结果

图3 优化示意图

根据原始模型分析结果结合中冷器在整车上的布置形式，对前保进行优化，将前保下唇（下格栅下方）前移40mm，如图3所示。

图4为优化后分析结果。与图2原始模型分析结果对比可以看到，优化后，下格栅进气量明显增加，这也意味着通过中冷器的流量将明显增加。

图4 优化后分析结果

图5为优化前后中冷器表面风速分布对比。从图中可以看到，不同工况下，优化后，中冷器表面风速均明显增加。

图5 优化前后中冷器表面风速对比

表1为不同工况下，优化前后通过中冷器风量对比，从表中数据可以看到，V=60km/h、V=130km/h工况下，通过中冷器的风量分别增加了265.2%和117.6%。

表1 优化前后中冷器风量对比

4.2 一维中冷器性能分析

根据整车中冷器性能要求，需满足中冷器热侧出风温度≤环境温度+25℃。

图6为中冷器性能分析原理图。中冷器热侧风量570kg/h，温度180℃。中冷器冷侧采用三维计算出的风量，环境温度40℃。也就是说热侧出风温度≤65℃时，满足该中冷器在整车上的适用需求。

表2为优化前后分析结果与实验结果对比，从表中数据可以看到，分析结果与实验结果吻合。

图6 中冷器性能分析原理图

表2 优化前后中冷器热侧出风温度与实验对比

5 总结

（1）本文采用CFD技术对整车上的中冷器周围气流流动状态进行了模拟，并提出了优化措施，有效提高了中冷器冷侧进风量；

（2）采用一维、三维耦合的方式对中冷器在整车上的表现进行分析，并与实验数据进行对比，吻合度较高；可以满足工程需求；

（3）采用CFD技术，大大缩短了研发周期，节省了大量的开发经费。

[1] 李志刚.基于CFD技术的柴油机中冷器的优化设计与匹配研究[D].天津大学, 2007.

[2] 崔洪江,史双佶,刘俊杰,李明海. DF_(4C)型机车中冷器CFD性能仿真分析[J].内燃机,2011,(04):13-16+22+51.

[3] Hucho W H. Aerodynamics of Road Vechicles. 1987.

[4] S N Singh, LRai, P Puri, A Bhatnagar. Effect of moving surface on the aerodynamic drag of road vehicles. J. Automobile Engineering 2005.

[5] Masaru KOIKE, Tsunehisa NAGAYOSHI, Naoki HAMAMOTO. Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators. MITSUBISI MOTORS technical review 2004 No.16 .

[6] 谷正气主编. 汽车空气动力学. 北京：人民交通出版社[M],2005.

[7] 谷正气,李学武,何忆斌. 汽车减阻新方法[J]. 汽车工程,2008,(05): 441-443+448.

The 1D and 3D coupling analysis on inter-cooler of van

Liu Congcong, Hu Jie, Wu Changqing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

The flow field in engine room and around inter-cooler is simulated by using 3D CFD software. Then the performance of inter-cooler is simulated by using 1D simulated software. By optimizing the airflow around inter-cooler and engine room, the air flow rate through inter-cooler and its performance are improved. The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.

Computational fluid dynamics (CFD); flow field in engine room; 1D and 3D coupling

U467

A

1671-7988 (2017)15-130-03

刘聪聪（1985-）男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.048