整车冷却模块聚风结构设计研究

殷红敏，杨栋，翁锐，翟晓红

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整车冷却模块聚风结构设计研究

殷红敏，杨栋，翁锐，翟晓红

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整车冷却系统的结构越来越趋向模块化、紧凑化设计，在前端布置空间有限的情况下，为了提升冷却系统的性能，无法仅仅提升风扇、散热器或者冷却水泵的工作能力来达到。作为空气动力学的延伸应用，在不改变其他部件性能的情况下，从改善整车通风性能的角度出发，对整车机舱部件的设计进行约束，利用CFD手段，设计聚风结构，改善整车冷却模块的通风效果，从而提高整体性能；并且这一改善还可以降低整车的风阻，从而降低油耗，符合目前节能减排的设计趋势。

冷却系统；CFD；聚风结构；热管理；风阻；降油耗

Abstract:The structure of the vehicle cooling system are becoming more and more modular, compact design, decorate in the frond-end under the condition of limited space, in order to improve the performance of the cooling system, cannot ascend only fan, radiator and cooling water pump working ability to achieve. As an extension of the aerodynamic applications,without changing performance under the condition of other parts, from the perspective of improving vehicle ventilation performance, with constraints on the design of the vehicle engine parts, using CFD method, design the wind structure,improve the ventilation effect of the vehicle cooling module, thus improve the overall performance; And this improvement can also reduce the wind resistance of the vehicle, thus reducing the fuel consumption, which is in line with the current design trend of energy conservation and emission reduction.

Keywords: Cooling system; CFD; Gather wind structure; Thermal management; Wind resistance; Fuel consumption reduction

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-75-04

引言

随着CFD分析软件功能的日渐强大，整车前端冷却模块结构设计的专业性越来越高，前端结构的设计不再仅仅局限于装配冷却系统、美观等作用。新的前端结构设计要求从整车整车热管理的角度进行考虑，合理的设计布置各部件的结构，保证可靠性的前提下，通过一些列的CFD分析对比，对整车冷却模块的通风性能进行优化，以达到最佳的进风效果。

从改善整车通风性能的角度出发，针对某 MPV车型开发过程中聚风结构的设计进行了一系列的设计研究，借助于一系列的CFD分析优化，在现有布置边界不变的前提下，设计合理的聚风结构，改善整车冷却系统的通风性能，从而提升整车冷却效果。同时，在一定程度上改善整车气流流向，降低风阻，改善了整车动力经济性，降低油耗，契合当今节能减排的大的发展趋势。

1 整车前端模块的组成结构

一般来讲，整车前端冷却模块的相关部件包括进气格栅、前保险杠、FEM、防撞梁、冷凝器、散热器、风扇、空气动力学套件以及一系列相关的管路系统。其中进气格栅、前保杠、FEM、防撞梁主要是作为主冷却模块的设计边界存在，不仅仅起到装配固定的作用，同时，还为主冷却模块提供进气气流，且于整车的冷却性能强相关，所以，整车的造型设计不仅需要考虑美观，同时还需要兼顾工程性能需求，在造型要求的边界下，尽可能的保证进风需求。

1.1 进气格栅开口面积

进气格栅开口面积是与整车冷却性能密切相关的结构参数，同时又对整车风阻系数有着重要影响，减小格栅开口面积有利于减小风阻系数，因此，需要找到二者兼顾的最优方案。

在造型阶段，通过CFD仿真分析，确定进气格栅的开口位置，进气格栅进风口位置要同时考虑压力分布，最好位于正压区域位置。出风口的位置根据类似原理，要位于负压区域位置，以提高进气效率，如图1所示，展示了一个典型的轿车外表面压力分布的示意，车辆格栅的最佳开口位置应处在前端的正压区位置；

图1 典型轿车外表面压力分布

按照正投影的方法，对进气格栅开口面积进行计算。按照设计经验，要求进风面积不低于30%（经过大量车型格栅测量调研后得出的一个经验数值）；

结构设计阶段，通过CFD仿真分析，对前端模块的详细布置结构进行优化，设计空气动力学套件，如聚风结构等，在保证冷却性能的前提下，尽可能降低整车风阻系数；

在试制和试验验证阶段，通过风洞试验和热平衡试验，确定格栅最终开口面积，保证整车气动性能和热平衡性能的最佳匹配。

1.2 冷却模块的布置方案

在总布置设计的过程中，应充分考虑冷却模块的布置，包括角度、位置以及气流通道的设计。前端冷却模块的布置在总布置概念设计阶段就应确定，以便于获得整车热平衡和气动性能的最佳综合性能。

冷却效率达到期望值后，可以通过封堵部分进气格栅，在不影响整车热平衡性能的前提下，降低气动阻力。

1.2.1 安装角度

热交换器如中冷器、冷凝器和散热器应根据其前部气流方向，保证其布置与气流方向垂直，提高通过冷却模块的风量和冷却性能。

1.2.2 安装位置

前端冷却模块在布置的过程中，应尽量避开防撞梁等前端较大部件，避免造成对冷却模块进风的阻挡，影响进气效率。

减小前保险杠和前防撞梁等对冷却气流的阻挡； 前防撞梁布置在保险杠车牌安装区域内，有利于减小其对气流的阻挡，提高冷却效率；进气格栅到前端冷却模块之间除必要的结构件（防撞梁、密封板外），不要有其他零部件阻挡；冷却模块中心应靠近主要进气格栅（通常是下格栅，因为格栅下端开口进风效果要明显好于上端开口）中心。

1.3 聚风结构

为了提高进气效率，防止怠速回流等情况的发生，通常考虑通过在冷却模块四周到前进气格栅之间增加聚风结构的方式，引导气流有效通过冷却模块，改善发舱压力，提升冷却模块的工作效率。

1.4 气流出口

通常情况下，冷却气流出口位置应位于气流压力较低的车体底部，可通过风洞试验或CFD仿真的手段，找到位于发动机舱底部的较低负压区域。设计过程中，应避免出口位置存在正压，否则将严重影响机舱热平衡性能。气流管理的核心在于气流流经发舱后，能以最快的速度离开，不能出现气流滞留的问题，因此，合理的设计导流结构非常重要。

2 某MPV车型聚风结构设计

2.1 问题提出

某 MPV车型在开发过程中，整车热平衡性能不达标，但是因为车型已经基本开发到位（如图2），前端冷却模块开发完成，已不允许在散热器或者风扇的性能上进行提升。因此，提出从改善整车通风性能的角度出发，设计合理的聚风结构，提升冷却模块的进风量。

图2 目前方案

2.2 现方案分析

利用STSR-CCM+CFD仿真分析软件，建立整车CFD模型，计算通过冷却模块的进风量。

计算相关基本理论参见参考文献7。

2.2.1 建模过程

几何准备：将整车CAD模型导入STAR-CCM+软件中，对整车模型按照系统级进行划分，对几何模型进行封闭及分块处理，为下一步体网格生成、边界设置及后处理做好准备，如图3所示；

图3 整车模型封闭剂分块处理

生成网格：对模型进行包面处理并生成体网格，图4所示；

图4 整车模型生成体网格

参照行业设计经验，计算域设置12m×20m ×60m，生成网格总数约3300万。

设置边界：将物理模型应用到边界上，包括对空气侧/冷却水侧进行设置、给发热部件设置温度、对风扇进行设置等，如图5所示；

图5 边界应用

求解计算：设置迭代计算的次数或计算中止的条件后开始计算；

图6 计算结果

后处理：查看计算结果，当残差曲线处于约10E-4时，且震荡较小，表明计算区域收敛，系统趋于稳定，表明计算结束，保存计算文件，截取一系列典型截面，将分析结果以云图的形式反映出来，并配以文字说明，如图7所示。

注：如残差曲线计算最后出现上翘，或者不收敛，结果发散，那么需要复盘网格模型质量，重新生成高质量的网格进行进行计算。

图7 目前方案计算结果云图

2.2.2 问题确认

通过整车CFD分析，可以看出在冷却模块的上下端面存在严重的漏风问题，进入格栅后的气流由于下端无封堵，散热器本身存在一定的阻尼作用，导致气流多数向低压区流动，实际通过散热器的有效进风很少，导致通过冷却模块的进风量不足。

2.3 解决方案提出

因为前端模块存在严重的漏风问题，因此考虑设计合理的聚风结构，保证进风效果。参照CFD分析流场结果，在冷却模块的四周均进行封堵聚风，解决方案如图8所示；

图8 解决方案

2.4 解决方案CFD分析

其余数模结构保持不变，整车CFD模型中增加上下左右聚风板，导入Part数据，重新生成网格，边界及物理模型均保持不变，重新计算，计算结果如图9所示；

图9 解决方案计算结果云图

通过分析可以确认，增加聚风板后，进风效果更好，通过前端模块的进风量得到了明显的提升，但是下聚风板的结构还需要进行优化，发舱速度矢量云图显示，目前的结构在导流板的下部存在一定的气流滞留，影响了下部的进风，因此，需要将下导流板的结构按照气流走向进行优化。

2.5 优化后解决方案CFD分析

图10 优化后解决方案计算结果云图

分析结果显示，优化后的解决方案，气流滞留问题得到解决，冷却系统进风量较优化前有一定提升（参见表1）。

表1 目前方案及解决方案冷却模块风量对比

2.6 问题结论

通过数据对比可以看出，聚风结构可以有效的解决前端模块的漏风，提升冷却模块的进风量；但是，聚风结构的设计不仅仅是简单的封装，需要考虑气流的实际流动，最大限度的消除气流回流、滞留等问题，其结构的最终确定需要经过系统的CFD分析优化，以保证最大进风效果。

3 结论

本文通过对整车前端冷却模块的边界设计及布置进行阐述，参照以往的车型开发经验及教训，提出针对冷却系统各部件设计的相关约束条件，为后续车型冷却系统聚风结构的设计提供参考。

对于某 MPV车型在前端模块聚风结构的设计，通过系统的CFD分析优化，最终找到最优的结构设计方案。在不改变现有冷却模块布置方案条件下，通过设计合理的聚风结构，最终达到冷却模块进风量的显著提升。同时，设计聚风结构后，在一定程度上降低了整车的风阻系数，有利于整车降油耗。

[1] 大岛龙一.构筑合理的通风系统,XLJ1-151951,2000.

[2] 汽车工程编辑委员会.汽车工程手册·设计篇,人民交通出版社.2000,182-183.

[3] STAR-CCM+教程.

[4] STAR-CD user manual.

[5] 王福军.计算流体动力学分析,[M]北京,清华大学出版社,2004.9.

[6] 陈懋章.粘性流体动力学基础.[M]高等教育出版社.

[7] 谷正气.汽车空气动力学.[M]人民交通出版社.

[8] John D.Anderson, Computational Fluid Dynamics, The Basics with Applications.

The Design of Gather Wind Structure of the Vehicle Cooling Module

Yin Hongmin, Yang Dong, Weng Rui, Zhai Xiaohong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-75-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.027

殷红敏（1983-），底盘设计技术经理/整车项目经理，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，主要从事整车热管理技术研究、整车燃油系统（国VI）技术研究、整车项目开发等。