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基于STAR-CCM+的汽车主动格栅系统设计仿真
2020-08-03 22:48:38· 来源：汽车CFD技术之家
摘 要：本文利用计算流体力学软件STAR-CCM对某车型进行了整车空气动力学CFD计算，在验证模型可信性后，通过方针计算得到并对比了不同格栅开度下汽车风阻、发动
摘 要：本文利用计算流体力学软件STAR-CCM对某车型进行了整车空气动力学CFD计算，在验证模型可信性后，通过方针计算得到并对比了不同格栅开度下汽车风阻、发动机舱压力场、速度流场分布情况，分析了风阻及散热器进气量随格栅叶片开度变 化的趋势，根据样车在不同工况下的实际情况与需要选择了较为合理的格栅叶片开启角度控制方案。最后对不同工况下的格栅叶片开度方案进行了验证分析，证实了格栅叶片控制方案的可行性。
前言
主动格栅系统是近年来新兴的一项技术，它通过在不同工况下合理的控制进气格栅的开启角度，调节进入进气格栅的冷却风量，保证发动机合适的工作温度环境，并降低车辆行驶过程中的气动阻力提升整车燃油经济性，在车辆高速行驶时，对整车风阻的降低及动力性的提高有更为明显的效果。
此外，配置主动格栅系统还能有效降低CO等废气排放量，提升高速行驶时的动力性，实现发动机启动时快速热机等，提升整车驾驶性能。
随着计算机技术的发展而广泛应用的汽车计算流体力学（CFD）具有限制条件少、信息丰富、成本低、周期短等显著特点，并能够得到大量试验技术难以获得的信息，在汽车空气动力学优化方面得到广泛的应用。
参考国内外汽车主动格栅系统的相关文献，本文利用计算流体力学软件STAR-CCM对某车型进行了整车空气动力学CFD计算，计算并对比了不同格栅开度下汽车风阻、发动机舱压力场、速度流场分布情况，并对此进行了分析研究。
1. 方案设计
主动格栅叶片需要在不同的工况下实现叶片角度的切换，达到节省燃油消耗、提升动力性等效果。为保证主动格栅稳定、持续地控制格栅叶片的开启角度，要避免格栅叶片的连续转换，防止其过早老化，一般设计成4-5种固定角度的叶片开度，来应对不同运行工况的格栅开口面积需求。本文通过在环境温度20℃，车速120km/h 的模拟实验条件下，通过7种格栅叶片开启角度对冷却风量进行控制，分别对7种状态进行模拟计算，经过详细对比分析后选择合适的格栅叶片开度作为不同工况下主动格栅系统的开启角度。根据方案选择结果，分别模拟高速和低速行驶工况时对应的格栅叶片开度进行仿真计算，验证选择方案的可行性。
2. 计算模型的建立
2.1 车体几何模型
对试验样车的车体表面及发动机舱内部进行了适当的简化处理，去除了对实验结果影响极小的细小管路、螺栓等，保留了发动机舱、车身、底盘的全部结构。
2.2 AGS 几何模型
根据样车实际情况对主动格栅模型进行设计。主动格栅设图1 主动格栅模型图2 计算域网格分布计成独立的汽车进气格栅组成部分，便于在模型中进行装配和拆卸。格栅叶片为百叶窗结构以方便调整开启角度，从而控制冷却空气流量。将格栅叶片全部关闭作为格栅叶片开度为0°的状态，相应地，格栅叶片全部开启对应叶片开度90°。格栅叶片角度范围内变化。
2.3 网格划分
在Hypermesh中对样车CATIA模型完成基础几何清理、面网格划分后，将几何模型导入STAR-CCM中进行进一步修整，并完成包面、面网格优化及体网格划分等操作。在样车模型的不同区域根据实际情况进行不同的细化，采用不尽相同的网格尺寸。
车辆表面接触高速气流的部分边界层设置为4层，不接触高速气流的部件表面边界层设置为2层，并在车体前端、顶盖、风挡、后视镜等需要精确计算的部分进行局部体网格加密。全流场计算网格数为3273万左右。图2所示为内外流场网格分布情况。发动机舱为本次计算分析的重点，网格分布较为密集，能够较好地捕捉复杂流动。
2.4 边界条件
本文采用K-Epsilon湍流模型设置边界条件，空间离散采用二阶迎风差分格式，迭代方式采用SIMPLE算法。设置计算与整车前面为速度入口，速度为120km/h，计算域出口为压力出口边界，其余为固壁。散热器、冷凝器采用多孔介质模型，冷却风扇不可旋转。
2.5 模型可信性评估
对试验样车初始状态（未配置主动格栅系统）进行空气动力学CFD计算。计算得到样车模型风阻系数Cd为0.3547，与实际试验样车风洞试验结果0.3464相比误差仅为2.4，同时仿真计算车身表面流线与风洞试验烟流流动趋势相近，认为计算模型可信，并将该状态模型作为基准，装配主动格栅系统后的模型与之进行风阻、车身表面流线图、发动机舱热流场等对比分析。
3. 风阻分析
3.1 对整车气动阻力的影响
在汽车行驶的一定速度范围内，车辆的外形保持不变的情况下，车辆的风阻系数是一个固定值，不随车速变化而变化，风阻系数越低，汽车行驶受到的空气阻力越小。但是当进气格栅的开度发生变化时，整车的外形随之发生变化，因此车辆的风阻系数也被改变。进气格栅布置位置的不同，进气格栅完全关闭一般比完全打开时，风阻系数 Cd 值减少0.01 ～ 0.03。综合风阻与冷却风量等因素，在保证足够的冷却效果的前提下尽量降低风阻，分别对格栅开度为0°、15°、30 °、45°、60 °、75°、90 °的工况下利用CFD 计算软件STAR-CCM对试验样车进行风阻计算，分析该车型主动格栅叶片开度对风阻系数的影响。
为直观的分析格栅叶片开度对风阻系数的影响，将表2中格栅叶片开度0°到90°的风阻系数数据进行二次拟合。拟合后风阻系数随格栅叶片开度变化关系如图3所示。
从图中可以看出，格栅叶片开度对风阻系数的影响呈非线性关系。当叶片开度小于45°时，随着格栅开度的增加，风阻系数呈上升趋势，格栅叶片开度的变化对风阻系数的影响较为明显，格栅叶片开度的大小对风阻近似呈线性影响，通过减小叶片开启角度能够得到风阻系数的较大降低，在此范围内通过控制格栅叶片开度可对风阻系数进行较大范围的调节和控制，叶片角度在此区间内调节可以实现风阻系数的明显变化。在格栅开启角度在60°以上时，进气格栅允许进入的冷却空气流量较大，叶片开度对进气流量的调节作用有限，格栅开度对风阻系数的影响变弱，改变格栅叶片开启角度后风阻系数降低并不明显，不适合在此范围内通过叶片开度对风阻进行控制。格栅叶片开度在75°时出现风阻系数过高的情况，除计算误差的影响，该叶片开启角度附近增加主动格栅后无法有效降低风阻系数。
3.2 发动机舱冷却性能的分析
由于冷却风扇的运行工况及转速等风扇相关参数未知，无法准确建立发动机舱冷却模型的边界条件，温度场模拟缺乏相关数据，在此通过分析主动格栅系统格栅开度对通过散热器的冷却风量的影响、发动机舱内冷却气流流场、发动机舱压力云图等对发动机舱的冷却性能进行综合分析。
3.2.1 速度场分析
汽车的内部流场主要考虑发动机舱气流的流动情况。发动机舱流动的通畅，特别是通风量对发动机的散热有着至关重要的作用。通过CFD计算后得到不同格栅开度下发动机舱速度矢量图。图4所示为汽车纵向对称面上，进入发动机舱内气体的流动情况。
在图4的气流速度矢量图中可以清晰的看出发动机舱内气体速度矢量。图（4 a）所示，主动格栅完全关闭时，发动机舱外气体对发动机舱内气流几乎没有影响，只有少部分气体从发动机罩前端进入发动机舱后沿发动机罩内表面流向发动机后方。主动格栅开启后，大量气流涌入发动机舱中对发动机各部分进行冷却。在0°至15°区间内随格栅叶片开启角度变化，冷却空气对散热器的冷却效果较差，由图4（b）可见，格栅开启15°时，发动机舱内几乎没有外界冷却气流的进入及流动，仅散热器上端部分有气流通过，气流速度较低，而且在散热器后方、发动机前侧附近有漩涡存在，容易造成发动机局部温度过高，冷却空气对发动机的冷却作用十分有限，不适合作为主动格栅系统的格栅开启角度。开启30°后开始有较多气流通过散热器，发挥空气的冷却作用。相比于格栅开度45°的情况，格栅开启30°时气流主要通过散热器区域，冷却气流对发动机的影响更小，通过发动机后的冷却气流很少，在有效进行发动机冷却的同时能够保证发动机温度较少的损失。在格栅叶片开启75°时，气流通过格栅时速度有局部加速的现象出现，并在进气格栅与主动格栅叶片之间有局部湍流出现，气流流动受到影响，解释了风阻系数在75°附近增加的原因。通过格栅之后气体的流动趋势与格栅叶片开启90°相近。通过格栅之后空气流速较大，流动顺畅，均有较多气体能够通过散热器和冷凝器实现散热效果。
3.2.2 进气量分析
通过进气格栅的冷却空气一部分通过冷凝器、散热器、冷却风扇等实现冷却效果，在此将通过散热器的冷却气流作为研究对象，对不同工况下通过冷凝器和散热器的冷却风量进行计算后对比分析。通过计算得到的各格栅叶片开度下通过冷凝器和散热器的空气流量如表格2所示。
为直观的分析进气量随格栅叶片开度的变化，将各格栅叶片开度下冷凝器、散热器进气量进行拟合，得到图5所示进气量随格栅叶片开度变化的曲线图。
主动格栅开启角度对冷却风量的影响曲线如图所示。由计算结果及曲线图分析可知，格栅开度对冷却风量的影响呈非线性变化，冷却风量随着格栅开启角度的增加而增加，大致以60°作为分界点，当格栅叶片开启角度逐渐增加后，格栅开度对冷却风量的影响随之减弱。格栅叶片开度小于60°时，散热器进气量随叶片开度的增加近似呈线性增加，当叶片开度大于60°时，随着叶片开度的增加，通过进气格栅进入发动机舱内的空气流量大幅降低，进入发动机舱内的气体也有较大部分沿发动机罩内表面流向发动机后方，散热器的进气量变化量很小。因此，选择60°作为汽车低速行驶工况下的格栅开度，降低汽车气动阻力的同时增加冷却空气进气量，减小冷却风扇功率消耗。
3.3.3 车身表面压力分析
在计算后也可以得到计算域内每一点的压力矢量，与之相对应的空间则称为压力场。为形象地描述流场中流体的具体流动情况，用不同颜色代表不同的压强大小值，红色代表压强值很大，蓝色则代表压强值很小，在STAR-CCM中做出压力分布云图。计算得到的车身表面压力分布云图如下图所示。
图6 不同格栅叶片开度下发动机舱压力云图
（a） -（ g）分别为格栅叶片开度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时发动机舱压力云图。
由图6 a)所示，格栅叶片完全关闭时，汽车前端压力集中在叶片处，在车辆高速行驶时会产生较大的行驶阻力，影响车辆的动力性能。随着格栅叶片的开启，格栅叶片压力不再集中并逐渐减小，压力逐渐均匀分布到进气格栅各个部分。叶片开启30°之后开始有压力集中到散热器部分，气流通过散热器带走热量达到冷却效果。叶片开启角度逐渐增加后，通过格栅和散热器的气流逐渐增多，散热器高压范围逐渐增加，散热器对气流的阻滞作用不断加强，气动阻力逐渐增加。
因此，在高速行驶的状态下，样车的格栅叶片开启角度设置在30°，在满足冷却风量的前提下尽量减小叶片开启角度，减少冷却气流带走的发动机温度，提高发动机效率。低速行驶工况下可选择60°作为叶片开启角度，在保证充足冷却风量的前提下降低风阻系数，减少燃油消耗。
4. 控制方案验证分析
通过对汽车行驶速度为120km/h时，不同格栅开度下汽车的风阻、发动机舱冷却性能进行了仿真计算及对比分析，制定出如下格栅叶片角度控制方案：
为准确验证在不同工况时，相应格栅开度下汽车发动机舱冷却性能满足需求，分别在车辆行驶速度为60km/h、140km/h时格栅开度为0°、30°、60°、90°下进行CFD 仿真计算，并对结果进行对比分析。
4.1 风阻分析
将测试风洞进口空气速度设置为60km/h、140km/h，车轮转动速度同样根据需求改动，其他试验及边界条件保持与原计算一致，进行同样的风阻及冷却性能计算。计算得到的风阻系数整理如图所示。
从计算得到的风阻系数结果可以看出，不同速度下汽车风阻系数略有变化，但随格栅叶片开启角度的变化趋势相似。在汽车行驶速度60km/h 的行驶工况下，格栅开启60°相比于格栅全开风阻有所降低；在汽车高速行驶工况下，格栅叶片开启30°时能够达到明显降低风阻的效果。低速行驶时，外界环境对汽车行驶阻力的影响较大，计算得到的风阻系数与高速工况下稍有差别，但风阻系数对格栅叶片开度变化趋势整体一致；在高速工况下风阻系数较为稳定，速度变化对风阻系数影响较小，140km/h与120km/h速度下风阻系数十分接近，且格栅叶片开度对风阻系数的影响趋势趋于一致。
4.2 速度场及冷却性能分析
汽车以60km/h的速度低速行驶时，行驶阻力中仅有约50左右来自于气动阻力，通过降低风阻系数来降低行驶阻力、提升汽车燃油经济性效果十分有限，在此主要对该工况下格栅叶片开启60°时的速度场及冷却性能进行分析。
汽车以140km/h 的速度高速行驶时，空气阻力约占汽车行驶阻力的85%，通过降低风阻系数能够有效降低气动阻力，减少燃油消耗，提升动力性。风阻系数计算结果表明高速行驶工况下，格栅叶片开启30°能够实现风阻系数的显著减小，下面对高速工况下格栅叶片开启30°时发动机舱冷却性能进行分析。
通过冷凝器和散热器的冷却空气量如下表所示。将3种速度工况下进气量整理后可得图8所示曲线图。
由图表对比可知，在不同行驶速度下，冷凝器和散热器的冷却空气进气量随格栅叶片的变化趋势近似，随着速度的增加，进气量也相应增加。图中红色标记为高速和低速工况下选取的格栅叶片开启方案，可以直观的看出，该种开启方案能够保证汽车在行驶时冷却空气进气量始终稳定保持一定范围内，保证充足的冷却空气量，同时保证格栅叶片开度的变化不会造成冷却空气进气量的剧烈变化，并随着车速的增加，进气量也有所增加，较好地避免了对风扇控制策略的影响，使格栅叶片可以根据使用需求独立进行控制，降低外界因素的制约。不同工况下对发动机舱速度场进行了如图对比分析：
图7 车速60km/h 时不同格栅叶片开度下发动机舱压力云图
（a） -（ d）分别为格栅叶片开度0°、30°、60°、90°时发动机舱速度矢量图
在60km/h即模拟低速行驶的行驶工况下，格栅叶片开启30°以下时，发动机附近冷却效果较差，冷却空气仅对散热器和冷凝器部分进行冷却，流经发动机的冷却气流十分有限。格栅叶片开启60°时，发动机舱内冷却气流流动状态相似，冷却空气大量流入发动机舱内，在散热器上形成较大范围的散热区域，实现充足的冷却效果；发动机舱内低速涡流相对较少，能够较好的防止发动机舱内部件发生局部过热情况的发生。
图8 车速140km/h 时不同格栅叶片开度下发动机舱压力云图
（a） -（ d）分别为格栅叶片开度0°、30°、60°、90°时发动机舱速度矢量图
在140km/h即模拟高速行驶的行驶工况下，格栅叶片开启30°时，进入格栅的冷却气流受到格栅叶片的引导向发动机舱盖处，流速较快，气流通过顺畅。通过进气格栅流进发动机舱的气体，一部分流进散热器的部分对散热器进行有效的冷却，未进入散热器的气体则沿发动机内侧舱盖流向发动机后方，对发动机周围进行冷却。格栅叶片开启角度过低，几乎没有冷却气流流入发动机舱内，给发动机散热造成巨大负担。由图9 (c)、(d)可见，格栅叶片开启角度过大，在高速行驶时有大量冷却气流进入发动机舱，虽达到良好的散热效果，但带走大量发动机热量，使发动机工作温度容易低于最佳工作温度，发动机效率降低。
4.3 压力场分析
仿真计算得到的60km/h、140km/h 速度下发动机舱压力云图如图9、图10所示。
图9 60km/h 速度下不同格栅叶片开度发动机舱压力云图
（a） -（ d） 分别为格栅叶片开度0°、30°、60°、90°时发动机舱压力云图
图10 140km/h 速度下不同格栅叶片开度发动机舱压力云图
（a） -（ d） 分别为格栅叶片开度0°、30°、60°、90°时发动机舱压力云图
经过对比分析可知，在高速行驶的工况下，格栅叶片开启30°时车辆前端压力区略有增加，但增长幅度及范围较小；发动机舱内冷却空气对散热器造成小范围，提供一定程度的冷却能力。在低速行驶的工况下，格栅叶片开启60°时实现了散热器较大范围的压力集中 ，冷却空气对散热器的冷却效果较好。
综合上述分析，指定的格栅叶片开度方案合理可行，试验样车在低速行驶工况下将格栅叶片开启60°较为合理，不仅能够在一定程度上降低风阻，提升动力性，同时能够满足发动机冷却需求的同时，分担散热风扇散热效果，维持发动机合理的工作温度；在高速行驶工况下选择30°作为格栅叶片开度，降低风阻的同时保证发动机舱充足的冷却风量，节省车辆高速行驶时的燃油消耗。
5. 结论
本文通过对不同格栅叶片角度下样车的风阻系数、冷却性能等进行对比分析，经过对应工况的格栅叶片开度进行仿真计算与分析验证后，得到如下格栅叶片控制方案：
(1) 在发动机启动时，格栅叶片全部关闭，实现发动机快速热机；
(2) 在高度行驶工况下，格栅叶片开启30°，在满足冷却需求的前提下得到更低的气动阻力；
(3) 在低速行驶工况下，格栅叶片开启60°，在降低风阻的同时获得较大的冷却空气量；
(4) 在强加速、空调开启等高功率情况，格栅叶片完全开启，以获得发动机最大冷却效果。
作者：刘学龙1，高岳1，杨彬2
1. 中国汽车技术研究中心
2. 合肥工业大学
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