105 应用CFD仿真分析优化某SUV车型的机舱流场

应用CFD仿真分析优化某SUV车型的机舱流场

陈群 戴鑫鑫 张福双

徐哲

（中国第一汽车集团研发总院，长春 130011）

摘要：本文应用CFD分析方法优化某SUV车型的机舱流场，通过对基础方案的

仿真分析，明确问题所在。优化导风板的结构设计，实现前端冷却模块的良好密

封，将冷却模块前泄露量降至最低，将进入散热器的有效风量提升13%～25%，同

时优化双风扇的布置方式，提高散热器入口速度分布均匀性，实现散热器效率的

最大利用，最后对发动机进气口的引风装置进行优化，确保进入发动机进气口的

空气来源是新鲜空气。

关键词：SUV 机舱CFD分析 导风板 风扇布置 发动机进气口

1前言

SUV的全称是Sport Utility

Vehicle，中文意思是运动型多用途汽车。现在的SUV一般指那些以轿车平台为基

础、在一定程度上既具有轿车的舒适性，又具有一定越野性的车型通俗说就是能

在城市中开的越野车。国内SUV市场正处于从优质走向成熟的阶段。按照SUV的

[1]

功能性，通常分为城市型SUV与越野车，前者代表有景逸x3、奇瑞瑞虎、宝马X1、

奥迪Q3、现代ix35、雪佛兰创酷等；后者代表有奔驰G500、悍马H2、丰田普拉多、

铃木吉姆尼、路虎卫士等。，

SUV的特点是动力强、越野性、宽敞舒适及良好的载物和载客功能。良好的通

过性是SVU车型的一大亮点，

SUV车的机舱结构特点与轿车基本相同，但是它的离地间隙、接近角和离去角比

普通的轿车要好。从以上SUV车的功能和结构特点可以看出，为了保证它具有良

好的热管理性能，设计阶段的SUV车型的机舱优化更加重要。

在当前的整车开发过程中，需要通过大量的仿真分析和试验来平衡动力总成冷

却需求、空气动力学特性、环境控制、造型风格、整车结构以及成本之间的关系。

前端的设计在整车开发过程中非常重要，比如发动机的冷却和环境需求要求有

足够的空气进入机舱，但是这会增加整车的冷却阻力。机舱内安装导流板可以增

加前端开口的利用率并有效防止机舱热回流进入冷凝器和散热器，但这同时也

增加了成本。采用CFD分析技术可以快速有效地解决这一问题，实现不同性能需

求间的平衡。

[9-12]

本文针对中心开发的一款红旗品牌SUV车型，在设计阶段开展机舱流场分析，确

定导风板方案提高冷却风的有效利用、优化风扇布置提高散热器入口冷却空气

速度分布均匀性，同时优化发动机进气口设计，保证发动机的进气需求。

2仿真分析模型与计算方法

2.1仿真分析模型

为了准确反映机舱内的流动情况，机舱流动CFD分析的整车模型是实际整车结

构的全尺寸三维模型，仅去掉螺栓等小的特征，对于关键部件如动力总成、格栅

、前端冷却模块等则按照实际几何保留尺寸，格栅及机舱布置如图1所示。该发动

机的前端冷却模块布置如图2所示，由于发动机中冷器采用水冷方式，整车冷却

系统分为两个回路，高温回路满足发动机冷却系统需求，低温回路满足发动机中

冷需求，两个系统共用风扇和膨胀水箱。

2.2仿真分析模型计算区域及网格划分

仿真分析的网格前处理和求解采用Starccm+软件。为了保证机舱仿真分析的准

确性，按照标准的风洞空间尺寸建立计算区域，如图3所示。首先对整车3D几何模

型进行清理和简化，通过包面获得满足计算需求的封闭表面，之后进行面网格的

划分，面网格参数大小的选取要兼顾部件的大小、表面是否变形失真以及整体网

格数量的限制。为了保证计算精度和更好的收敛性，最后设定局部加密区域。采

用Trim+Prism方式生成体网格，该车型的整体网格数量约2133.5万

，整车对称面上的网格剖面如图4所示。

图1 整车前部格栅及机舱布置几何模型

图2

图3

2.3仿真分析边界条件

图4 整车中心对称面上的网格

计算区域的入口采用速度入口，出口采用压力出口，按照企业整车热平衡试验标

准设定环境温度和压力。前端冷却模块的换热器芯体采用六面体网格划分，采用

多孔介质模型来模拟垂直于换热器表面的流动阻力，阻尼系数由供应商提供的

换热器流动阻力曲线确定。风扇采用多重参考坐标系（MRF）模型模拟，仿真分析

过程中设定风扇转速。

仿真分析工况主要是三个典型的整车热平衡工况，工况的设定见表1。

表1 仿真分析的工况描述

坡度/—

发动机转速/r·min

-1-1

9%

5.5%

0

35753000140

20273000290

259630003140

风扇转速/r·mi

n

-1

工况

3机舱流场的优化

车速/km·h

SUV车型的机舱布置非常紧凑，匹配的CA6GV机械增压发动机的散热需求高，因此

，格栅开口位置及有效流通面积、导风罩的设计、风扇的布置以及散热器的性能

对于整车冷却能力而言至关重要,同时为了保证发动机的进气来源，发动机进气

口的设计也要重点关注。通过机舱流动CFD分析，可以在设计阶段识别机舱布置

问题，保证整车热管理性能的达成。

3.1 机舱前端导风板的优化

为了降低整车风阻，同时提高暖车效果，该车型采用主动格栅（AGS)技术。设计初

版方案仅在冷却模块的两侧加了导风板，导风板的详细结构需要通过仿真分析

进行优化。图5为机舱基础布置方案两个车速条件下整车对称剖面上的速度矢量

分布图。从图中可以看出，从下格栅进入的空气在进入冷却模块前就从机舱下部

泄漏了，而且随着车速的增加泄漏量急剧增加。由于SUV车型离地间隙大，前端下

部进气泄漏倾向更大。

图5 机舱基础布置方案整车对称面上速度矢量分布

导风板是前端设计的重要部分，它在格栅到换热器之间形成气体流动通道。它的

设计要满足低阻力和密封两个需求。低阻力的导风板形成的进风通道可以有效

改善空调的性能，在怠速和城市堵车工况尤为显著。密封的重要性在于有效阻止

机舱内的热空气回流至冷凝器和散热器之前。通过减少通道下方气体的泄露可

以提高整车燃油经济性

。导风板的设计要综合考虑发动机冷却、前端开口面积和形状、冷却模块等因素

，设计原则是保证前端冷却模块的上部、下部和侧向密封。

图6是140km/h车速下，优化后的导风板结构及采用优化后导风板的整车对称面

上的速度分布，可以看到冷却模块两侧及机舱下部没有泄漏，来自格栅的空气顺

畅进入前端冷却模块。图7是采用优化导风板的高温冷却系统发动机散热器、空

调冷凝器和低温中冷回路的主低温散热器的进风来源轨迹线，可见冷却模块的

进风来自格栅没有机舱热回流，而且流动通畅。

图6 优化后的导风板及改善后的流场

高温散热器的进风来源轨

冷凝器的进风来源轨迹

主低温散热器的进风来源

图7

表2 导风板优化前后换热器进风量比较

进风面位置

冷凝器入口

散热器入口

主低温散热

器入口

工况1（原

始）

kg/s

0.7550.8551.3951.750

1.0261.1731.6532.038

0.1520.1910.2820.524

工况1（优化）工况3（优化）

kg/skg/s

工况3（原始）

kg/s

表2是导风板优化前后换热器模块的进风量比较。可见，对于低车速工况1，由于

导风板的密封作用，冷凝器和高温散热器的进风量提升13%左右，而下部泄漏的

消除使主低温散热器的进风量提高25%。对于高车速工况3，导风板的效果更明显

，冷凝器和高温散热器的进风量提升23%左右，而下部泄漏的消除使主低温散热

器的进风量提高85%，有利于保证发动机中冷后温度的达成。

3.2 优化风扇布置型式

风扇是机舱进风的动力源，为了保证机舱的进风量，该车型采用双风扇结构。散

热器的性能不仅取决于进风量的大小，也受进风均匀性的影响。风扇在满足性能

要求的情况下，其布置要尽可能保证换热器表面的进风均匀，最大限度提升散热

器的换热能力。初始的两个风扇是对角布置的，尽管有风门，但是散热器的入口

面速度分布不均匀，在风扇作用区之外的散热器两个角点存在低速区，见图8。优

化后的风扇采用平行布置方式，散热器的入口面速度分布均匀性得到改善，提升

了散热器效率，见图9。

图9平行布置的双风扇模型及散热器入口速度分

3.3 优化发动机进气口

该SUV车型采用机械增压技术，发动机的进气温度不仅影响充气效率而且影响中

冷后的气体温度，从而影响发动机的性能，因此，进气口的布置非常重要。为了

保证前端冷却模块的有效进气，导风板的密封效果非常好，导风板四周通过橡胶

件和前脸形成良好密封，即来自格栅的空气全部被导流到前端冷却模块。在此情

况下，布置在冷却模块框架上部的发动机进气口在导风板外部上方，只能吸入机

舱内的热空气，见图10。为了解决这个问题，在导风板的上部表面靠近格栅的位

置开口，同时加一小段引风通道，目的是将外部的空气更好地引入并导向进气口

，模型及改进效果见图11，从图中可以看出，进气口的来流是外界的新鲜空气，

而且进气非常顺畅。

图10 初版方案发动机进气口的位置及进气来源轨迹

发动机进气口

图11 发动机进气口优化方案及优化后进气来源轨迹

4优化后机舱布置方案的冷却系统仿真分析结果

在开展机舱流动CFD分析的同时，应用FLOWMASTER软件搭建了整车冷却系统仿真

分析模型，如图12所示。表3为优化前后冷却系统仿真分析结果比较，可以看到由

于采用了优化措施，前端冷却模块的进风量得到大幅度提升，评价工况条件下的

冷却液温度和机油温度降低，系统冷却能力提高。

表3 机舱冷却系统一维仿真分析结果比较

工况1（原

始）

/℃

工况1（优化）工况3（优化）

/℃/℃

工况3（原始）

/℃

冷却液

发动机机油

117.54112.5494.2989.71

126.49122.78103.98100.24

5结束语

通过对某SUV车型机舱流场初版布置方案进行仿真分析，识别机舱流场存在

的问题，通过优化导风板的结构设计，实现前端冷却模块的良好密封，将冷却模

图12 SUV车型的整车冷却系统一维模型

块前泄露量降至最低。同时优化双风扇的布置方式，提高散热器入口速度分布均

匀性，实现散热器效率的最大利用，最终提高冷却系统能力。此外，对发动机进

气口的引风装置进行优化，解决了采用全封闭导风板结构条件下发动机进气来

源的问题，确保进入发动机进气口的空气是外部的新鲜空气。

参考文献

1

谭钧泽，“基于CFD的某SUV气动性分析与改进\"，湖南大学硕士学位论文，20

11

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