[摘要] 利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模擬方法對某車型汽車發動機艙流場進行仿真分析，發現該車發動機艙冷卻模塊和進氣格柵組成的“前艙”回流現象明顯，熱源局部高溫。針對以上問題，提出了布置密封導流通道、冷卻模塊傾斜5°、冷卻風扇中置及采用雙冷卻風扇4 種優化方案，經過比較分析發現，在進氣格柵與冷卻模塊之間增加密封導流通道，空氣流量提高明顯，經過散熱器的空氣流量平均提高了10%以上，經過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上，有效改善了原車發動機艙的散熱性能。

引言

目前，人們對汽車各方面性能要求越來越高，各種新興技術如渦輪增壓、缸內分層燃燒、可變氣門升程、可變進氣歧管技術等相繼應用于汽車上，增加了汽車發動機艙的負擔；再加上現代汽車逐步傾向低車身、小車型等流線型設計，發動機艙零部件眾多、空間狹小、散熱困難。散熱狀況惡化，將嚴重影響汽車發動機的動力性和經濟性，因此，如何讓冷卻空氣在經過發動機艙時充分、有組織、高效地將熱量帶出，是發動機艙熱管理的主要工作。然而，發動機艙物理現象復雜、幾何形狀復雜、性能參數眾多，對其散熱特性進行評估具有一定難度。

傳統開發過程中，通常先采用經驗或工程估算的方法評估散熱性能，進行產品設計。產品定型后，進行相關散熱特性測試，根據測試結果，反復修改設計方案直到達到設計要求[2]，不僅增加了產品設計周期，而且浪費了大量的人力物力。

隨著計算流體力學的發展，運用CFD 仿真和實驗相結合的方式處理發動機艙熱管理問題，成本低、周期短，越來越受到各大汽車廠商的青睞。在發動機艙熱管理問題的分析和優化預測過程中，應用三維仿真軟件能夠達到流場的具象化和避免優化方案的多次試驗浪費[3]。比如，具體觀察發動機艙內流動死角和高溫回流，對多種優化方案的預測評估等，三維流體計算都提供了便捷的條件。本文主要利用三維仿真與計算軟件Star CCM+和Fluent，實現對原車發動機艙問題分析和對優化方案的預測，經過試驗驗證該仿真分析具有實際的指導意義。

1 數值模型建立

由于汽車發動機艙內氣體流速較低，密度變化較小，故可視為不可壓縮湍流流動，其計算過程需要滿足的流體力學基本方程如下：

根據流體連續性假設和質量守恒定律，可推出質量守恒方程（又叫連續性方程）

式中：ρ——流體密度；ui——流體速度矢量在x，y，z 方向上的分量。

將牛頓第二定律應用于流體流動模型，推出動量守恒方程（又稱運動方程或Navier-Stokes 方程）[4]

式中：ρ——流體密度；u——微元體的速度矢量；ui——速度矢量在xi 方向上的速度分量；t——時間；p——流體作用于微元上的壓力；τij——微元體上粘性應力τ 的分量；Si——微元體在xi 方向上的動量源項；μ——流體粘度。

根據能量守恒定律，可推出能量守恒方程：

式中：cp——比熱容；T——溫度；k——流體導熱系數；ST——粘性耗散項。

發動機艙內結構復雜，氣體運動時發生分離，形成湍流，遵循湍流運輸方程。本文選用Realizable k-ε 模型進行計算。它是標準k-ε 模型的另一種改進形式，與標準k-ε 模型和RNG 標準k-ε 模型相比，其湍流粘度中的經驗常數Cμ的值并非定值，而是關于湍動能、湍動能耗散率和系統平均張力的函數。Realizable k-ε 模型對混合流動、同性剪切流動、風洞和邊界流動等均特別有效。由于發動機艙內流體流動非常復雜，為準確模擬流體分離和湍流現象，采用Realizable k-ε 模型，其湍動能k 方程與湍流耗散率方程[5]分別如下：

式 中 Gk——由平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb——由浮力引起的湍動能產生項；YM——可壓湍流脈動擴張對總耗散率的影響；C2，C1ε——常數；σk，σε——湍動能k 和耗散率ε 的普朗特數；Sk，Sε——用戶自定義源項。

對于式中的經驗常數，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2，當主流方向與重力方向垂直時取C3ε=0，當主流方向與重力方向平行時取C3ε=1。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型建立

由于本文重點對發動機艙進行熱管理分析，于是對車頭及發動機艙進行三維模型的構建，由于發動機艙內零部件眾多，在進行仿真模擬時，進行了適當的修正和簡化，主要簡化了車輛標志、發動機表面等一些對主要流場影響不大的細節[6]，盡量保留車輛原始特征和完整性。處理后的模型如圖1 所示。

圖1 發動機艙原始模型
Fig.1 Original model of engine compartment

2.2 網格劃分

雖然理論上車輛行駛的空間是無限的，但實際計算卻需要設定一個計算的范圍。本文在對模型進行網格劃分之前，確定封閉區域為車前2 倍車長，車后3 倍車長，寬度為3 倍車寬，高度為5 倍車高[7]。對發動機艙面及計算域劃分網格，為了減少計算量節約計算時間，在重要區域細化網格。由于計算方案和工況太多，計算域采用了漸變網格，在保證計算精度的情況下節約計算時間。網格模型如圖2—圖4 所示。

圖2 發動機艙面網格
Fig.2 Engine deck grid

圖3 艙內零部件面網格
Fig.3 Interior parts grid

圖4 計算域網格
Fig.4 Computational domain grid

2.3 模型邊界條件與參數設定

發動機艙三維仿真分析的邊界條件，如表1 所示。各個換熱器應用了多孔介質的阻力模型（阻力曲線來源于試驗結果），湍流模型選擇Realizable k-ε 模型，采用二階迎風差分格式進行空間離散。模型邊界速度分布圖如圖5 所示，回流現象較為明顯。

表1 發動機艙邊界條件設定
Tab.1 Engine compartment boundary conditions

圖5 模型邊界速度分布圖
Fig.5 Boundary velocity distribution of model

3 發動機艙流場仿真與分析

發動機艙氣流通暢與否，直接影響艙內冷卻效率的高低。對發動機艙來說，希望通過更多的冷卻空氣，降低艙內溫度，但冷卻空氣吸入過多又會導致艙內氣體阻力增大，所以，需要合理優化前艙氣流場，提高散熱效率[8]。

設置車速為90 km/h，發動機艙計算結果如圖6、圖7 所示。可以看出，氣流從進氣格柵進入車內，經過冷凝器、散熱器，通過風扇的抽吸及加速，氣流被引向發動機艙內的變速器、發動機等，給整個發動機艙冷卻降溫，然后流向車后方[9]。

圖6 流場速度矢量圖（側視圖）
Fig.6 Velocity vector map of flow field (side view)

圖7 流場速度矢量圖（俯視圖）
Fig.7 Velocity vector map of flow field (top view)

由發動機艙流場速度矢量圖發現以下問題：（1）前部大燈區域出現流動死區；（2）冷卻模塊漏風嚴重；（3）風扇后出現熱空氣回流現象。

4 優化方案和對比

4.1 布置密封導流通道

鑒于流場中漏風和回流現象，優化方案中提出為冷卻模塊設置密封及導流通道。在冷卻模塊上以及兩側設置導流板[10]，阻止氣流流走，將其導向散熱器，以達到減小車輛風阻、提高經過冷卻模塊空氣流量和避免漏風的目的。

通過對比原模型和優化模型中各個換熱器的空氣流量變化，驗證優化方案的有效性。具體模型如圖8 所示。

圖8 布置密封導流通道
Fig.8 Arrangement of sealed diversion channels

圖9 、圖10 給出了散熱器和中冷器在不同發動機轉速及不同風扇轉速下的空氣流量變化對比?？梢?，采用密封導流通道以后，經過散熱器的空氣流量平均提高了10%以上，經過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上。由于布置密封導流通道以后，改善了散熱器上下及兩側的氣流，將其導向車后方[11]，如此大大改善了原車的發動機艙散熱水平，并且發動機艙改動較小，經過試驗驗證，效果較為顯著。

圖9 散熱器流量對比
Fig.9 Flow rate comparison of radiator

圖10 中冷器流量對比
Fig.10 Flow rate comparison of intercooler

4.2 冷卻模塊傾斜5°

為了能夠應用更大的散熱器來提高散熱能力，本文提出將冷卻模塊傾斜5°的優化方案，搭建模型如圖11 所示。

圖11 冷卻模塊傾斜5°
Fig.11 Cooling module tilting 5°

經仿真計算，原模型和優化模型散熱器和中冷器空氣流量變化對比圖如圖12、圖13 所示。

圖12 散熱器流量對比
Fig.12 Flow rate comparison of radiator

圖13 中冷器流量對比
Fig.13 Flow rate comparison of intercooler

對比可知，采用冷卻模塊傾斜后，不管汽車低速、中速、高速，散熱器空氣流量均沒有很好的提升效果，甚至在高速時下降明顯；但中冷器在汽車中高速時空氣流量有明顯升高，平均提高了60%以上，傾斜冷卻模塊，雖然可以采用表面積更大的散熱器，但相應空氣阻力也會增加[12]。綜合可知，該方案優化效果并沒有預計的明顯。

4.3 冷卻風扇中置并延伸風扇罩

經分析，冷卻風扇中置后，經過散熱器的空氣流量僅在車速為120 km/h、風扇轉速為0 的情況下增加了10%左右，其余情況空氣流量反而下降明顯。

搭建模型如圖14 所示。經計算，原模型和優化模型散熱器和中冷器空氣流量變化對比圖如圖15、圖16 所示。

圖14 冷卻風扇中置
Fig.14 Centralizing the cooling fan

（2）在冷卻模塊上設置密封導流通道，冷卻模塊空氣流量提高明顯。經過散熱器的空氣流量平均提高10%以上，經過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上，優化效果顯著。

圖15 散熱器流量對比
Fig.15 Flow rate comparison of radiator

圖16 中冷器流量對比
Fig.16 Flow rate comparison of intercooler

中冷器僅在低速時出現流量升高，中高速流量反而下降20%以上?？梢娫搩灮桨笇Πl動機艙散熱性能改進有限。

4.4 采用雙冷卻扇風扇

由于單冷卻風扇方案并不理想，為了提高中冷器空氣流量，本文進而提出雙冷卻風扇方案，使中冷器實現強制風冷，搭建模型如圖17 所示。

圖17 采用雙冷卻扇風扇
Fig.17 Using double cooling fan

經仿真計算，風扇空氣速度矢量圖如圖18所示。原模型和優化模型散熱器和中冷器空氣流量變化對比圖如圖19、圖20 所示。

通過對比分析，采用雙冷卻風扇后，經過散熱器的空氣流量在中低速時均有所提高，為5%左右，高速時變化不明顯；中冷器僅僅在低速時出現流量升高，但是中高速流量反而有所下降，為10%左右。該方案效果并不如預計的明顯。并且考慮到該方案會提高成本，延長產品周期[13]，須謹慎使用。

圖18 風扇空氣速度矢量圖
Fig.18 Air velocity vector diagram of the fan

圖19 散熱器流量對比
Fig.19 Flow rate comparison of radiator

圖20 中冷器流量對比
Fig.20 Flow rate comparison of intercooler

5 結論

本文通過CFD 計算軟件Star CCM+ 和Fluent，選用Realizable k-ε模型，對汽車發動機艙冷流場進行了計算和分析，發現了現存的流動死區、回流和漏風等問題。為了解決這些問題，提出了4 個優化方案，通過數值模擬，對優化方案進行了預測評估，得出以下幾點結論：

（1）數值模擬方法可以對汽車發動機艙內的流動換熱狀況進行比較準確的描述，對完善發動機艙的結構合理性及優化艙內換熱效果具有重要的指導意義。

為了提高中冷器空氣流量，本文提出冷卻風扇中置方案，使中冷器實現強制風冷。

（3）冷卻模塊傾斜5°，散熱器內空氣流量下降明顯，中冷器內空氣流量有所升高，優化效果不明顯。

（4）將冷卻風扇中置，散熱器空氣流量增加不大，為10%左右；中冷器僅在汽車低速行駛時空氣流量增加明顯，高速行駛時空氣流量反而有所下降。

（5）采用雙冷卻風扇，散熱器空氣流量在汽車中低速行駛時均略有升高；但中冷器空氣流量在汽車中高速行駛時反而下降明顯，考慮方案成本及產品周期，采用需謹慎。