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摘 要：本文基于数值模拟计算及结合风洞试验，对不同测试条件车辆车速与前端进气风速的相关性进行了研究；在此基础上还研究了发动机舱内各个零部件对散热器散热性能的影响，并就冷凝器芯厚、护风罩、进气截面和格栅对进气前端平均风速的影响做了相应的具体分析，提出了发动机舱内零部件设计和布置规律。
关键词：均匀性；前端进气；发动机舱
中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0018-05
Abstract： This paper studies the front end air flow uniformity relationship between CAE and physical test at various vehicle speeds. In addition， engine compartment parts’ effect on radiator heat rejection performance was studied. Analysis of thickness of condenser， shroud， air flow section and grille’s effect on front air flow uniformity was done in this study.
Key Words： uniformity； front end air flow； engine compartment
引 言
散热器和冷凝器在零部件风洞中的性能与在发动机舱中的性能表现存在一定的差别。其中影响因素包括：水泵、风扇功率及一些车辆零部件，如格栅、进风口截面积、保险杠位置、进气前端压力系数、发动机舱空气出口等。
在研究过程中，为了准确评估前端进气平均风速的模拟值与试验值的相关性，需要测量多个参数。其中车辆的冷却液和制冷剂的流量可以通过流量计测量，而因受不同零部件的影响，通过散热器和冷凝器的空气流速却不容易测量，需要通过间接的方法获得。
1 理论模型
文中将考虑以下车辆冷却模块组合：（1）风扇相对于散热器的位置；（2）不同护风罩的设计：无护风罩，部分护风罩，全尺寸护风罩，如图1所示；（3）风扇开启或关闭状态；（4）冷凝器的尺寸及其相对散热器和护风罩的位置。
由于前端冷却模块较复杂如图2，因此需作以下假设：一是将实际的空气侧回路简化为等效的空气侧回路，如图3和4所示；二假定散热器周围的空气没有泄露；三假定所有的物理参数都是恒定的；四将流体模型视为稳态、不可压缩流动。
将通过散热器的空气流分为三个区域：通过护风罩和冷凝器的空气流Uri1，护风罩内的空气流Uri2，护风罩以外的空气流Ue。
2 数值模拟与试验对比
2.1模拟计算
对于上述前端冷却模块组合，文中将重点分析组合为：部分护风罩设计；风扇在散热器后端；冷凝器的迎风截面Sc小于护风罩的截面Scv；散热器的迎风截面Sr大于护风罩的截面Scv，如图5：
基于上述假设，采用数值模拟计算可以获得通过散热器的平均风速Ura和发动机出口冷却液的温度Te。
2.2 环境风洞试验
（1）试验仪器：空气、冷却液和制冷剂的温度传感器，流速传感器，压力传感器。
（2）测试工况：外界温度为25℃时爬坡、外界温度为38℃和45℃时最大车速。
通风测试：采用加热器模拟发动机热源，对有风扇和无风扇两种情况进行测试。对不同车速，相同的冷却液流速，相同的冷却液和空气温差下，真实发动机舱条件下的散热器性能，将与试验台架上的性能进行比较。这样，通过在整车环境下测量散热器的散热量和冷却液流量和温度就可以获得散热器的平均风速Ur如图6所示：
（4）试验和计算方法
在车辆的仿真分析中，需要两个重要的参数：前端的压力系数Cpe和发动机舱后端压力系数Cps。针对每辆车，需要用图7所示的方法，计算出这些系数。
案例结果---每个组件的压降（格栅、散热器、冷凝器、风扇等）已在试验平台上单独测量。根据图7的方法，将在环境风洞中进行两辆车的测试。两辆车都设计有全尺寸风罩，实验时车辆Ⅰ风扇开启，车辆Ⅱ风扇关闭。
图8显示了车辆Ⅰ的试验和计算结果，在车速60～200 km/h时有良好相关性，但在低速时存在一定的误差。车辆装配了完整的全尺寸风罩（FFS），并且风扇开启。这个问题可能是风扇扇叶太靠近散热器。通过计算获得的压力系数Cpe、Cps分别为0.7，0.0。
图9为带有全尺寸护风罩且风扇关闭时车辆Ⅱ的试验和计算结果相关性。压力系数Cpe、Cps和车辆Ⅰ相同，分别是0.7和0.0。这些值将用于不同方案组合的计算。
2.3 结果分析
表1为车辆风洞试验结果与模拟值比较结果。
比较车辆的试验结果与模拟值发现，通过散热器的平均风速Ur，散热器的换热能力及发动机出口的冷却液温度对发动机的换热性能影响较大。另外，高车速与低车速情况的试验结果与模拟值的吻合度，前者表现更好。这可能是由于设计时风扇距离散热器过近导致实际流动受到干扰。
3 理论结果的扩展
通过以上试验和分析的对比，验证了模型的有效性。下文将基于验证模型对不同冷却模块组合进行分析。
为了研究进气前端和护风罩对发动机冷却系统和冷凝器性能的影响，我们将选用车辆Ⅰ进行研究，主要的参数如下：风扇功率300 W，8叶片，直径364 mm；冷凝器尺寸375 mm*515 mm，翅片间距1.3 mm；散热器尺寸414 mm*480 mm，翅片间距0.95 mm。 冷凝器芯厚的影响---对冷凝器三个不同厚度12 mm，16 mm和22 mm，不同车速下，通过散热器和冷凝器的平均风速Ur可以计算出来。可以看到：这三个冷凝器具有大致相同的空气风速。这些冷凝器较小的空气侧压力损失差异对风速Ur没有影响。这是由于散热器的压降远大于冷凝器（大约2倍）。通过散热器和冷凝器的风速主要由散热器和风扇控制。
然而冷凝器减小了通过散热器的风速（如图10、11所示）。在车速200 km/h时，没有冷凝器，风速会增加1 m/s。
护风罩的影响：相同风扇，不同车速下，护风罩对风速Ur有很大影响（如图12所示）。根据图1所示，有三类护风罩：全尺寸护风罩设计（FFS）；部分护风罩设计（PFS）；无护风罩设计（WFS）。
配置全尺寸护风罩在低车速状态有很好的效果，但无护风罩设计对中、高车速具有更好的效果，部分护风罩设计介于全尺寸护风罩设计和无护风罩设计中间。
进气截面系数是影响发动机冷却性能的一个重要参数，在中、高车速时，影响尤为显著（如图14所示）。在发动机冷却效率和汽车造型之间的一个折中是So/Sr为0.4。过大的So/Sr，如0.5，对冷却系统没有实际的影响。
格栅对发动机冷却系统影响很大特别是在中、高速状态（如图15所示）。对于怠速或低速状态（如车速小于20 km/h）基本没有影响。在高速状态，减小格栅的压力损失系数Kg会增大风速2～3 m/s。在平衡发动机冷却性能、空调系统和车辆风阻Cx中，Kg的取值范围最好在1.5～2之间。
4 结论
通过优化车辆前端和冷却模块，特别是风扇和护风罩，提升了发动机的冷却性能。通过研究发现，在发动机冷却性能、空调性能、和车辆造型之间的折中方案是：进气界面比So/Sr为0.4；格栅系数1.5 参考文献
[1]Sadek Rahman， Richard Su，Robust. Engineering of Engine Cooling System， SAE Paper 2003-01-0149.
[2]Refki El-Bourini and Samuel Chen. Engine Cooling Module Development Using Air Flow Management Techniques， SAE Paper 931115.
[3]袁侠义，谷正气，杨易.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程，2009，31（9）.
[4]邵世婷，周健.格栅对发动机冷却模块性能影响的模拟与试验分析[c].中国汽车工程学会年会论文集，2010.
[5]陶文铨.数值传热学第二版[M].西安：西安交通大学出版社，2004.
[6]Ales Alajbegovic， Bing Xu， Alex Konstantinov， Joe Amodeo. Simulation of Cooling Airflow under Different Driving Conditions[J]. SAE International， 2007， 01， 0766.
关键词：均匀性；前端进气；发动机舱
中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0018-05
Abstract： This paper studies the front end air flow uniformity relationship between CAE and physical test at various vehicle speeds. In addition， engine compartment parts’ effect on radiator heat rejection performance was studied. Analysis of thickness of condenser， shroud， air flow section and grille’s effect on front air flow uniformity was done in this study.
Key Words： uniformity； front end air flow； engine compartment
引 言
散热器和冷凝器在零部件风洞中的性能与在发动机舱中的性能表现存在一定的差别。其中影响因素包括：水泵、风扇功率及一些车辆零部件，如格栅、进风口截面积、保险杠位置、进气前端压力系数、发动机舱空气出口等。
在研究过程中，为了准确评估前端进气平均风速的模拟值与试验值的相关性，需要测量多个参数。其中车辆的冷却液和制冷剂的流量可以通过流量计测量，而因受不同零部件的影响，通过散热器和冷凝器的空气流速却不容易测量，需要通过间接的方法获得。
1 理论模型
文中将考虑以下车辆冷却模块组合：（1）风扇相对于散热器的位置；（2）不同护风罩的设计：无护风罩，部分护风罩，全尺寸护风罩，如图1所示；（3）风扇开启或关闭状态；（4）冷凝器的尺寸及其相对散热器和护风罩的位置。
由于前端冷却模块较复杂如图2，因此需作以下假设：一是将实际的空气侧回路简化为等效的空气侧回路，如图3和4所示；二假定散热器周围的空气没有泄露；三假定所有的物理参数都是恒定的；四将流体模型视为稳态、不可压缩流动。
将通过散热器的空气流分为三个区域：通过护风罩和冷凝器的空气流Uri1，护风罩内的空气流Uri2，护风罩以外的空气流Ue。
2 数值模拟与试验对比
2.1模拟计算
对于上述前端冷却模块组合，文中将重点分析组合为：部分护风罩设计；风扇在散热器后端；冷凝器的迎风截面Sc小于护风罩的截面Scv；散热器的迎风截面Sr大于护风罩的截面Scv，如图5：
基于上述假设，采用数值模拟计算可以获得通过散热器的平均风速Ura和发动机出口冷却液的温度Te。
2.2 环境风洞试验
（1）试验仪器：空气、冷却液和制冷剂的温度传感器，流速传感器，压力传感器。
（2）测试工况：外界温度为25℃时爬坡、外界温度为38℃和45℃时最大车速。
通风测试：采用加热器模拟发动机热源，对有风扇和无风扇两种情况进行测试。对不同车速，相同的冷却液流速，相同的冷却液和空气温差下，真实发动机舱条件下的散热器性能，将与试验台架上的性能进行比较。这样，通过在整车环境下测量散热器的散热量和冷却液流量和温度就可以获得散热器的平均风速Ur如图6所示：
（4）试验和计算方法
在车辆的仿真分析中，需要两个重要的参数：前端的压力系数Cpe和发动机舱后端压力系数Cps。针对每辆车，需要用图7所示的方法，计算出这些系数。
案例结果---每个组件的压降（格栅、散热器、冷凝器、风扇等）已在试验平台上单独测量。根据图7的方法，将在环境风洞中进行两辆车的测试。两辆车都设计有全尺寸风罩，实验时车辆Ⅰ风扇开启，车辆Ⅱ风扇关闭。
图8显示了车辆Ⅰ的试验和计算结果，在车速60～200 km/h时有良好相关性，但在低速时存在一定的误差。车辆装配了完整的全尺寸风罩（FFS），并且风扇开启。这个问题可能是风扇扇叶太靠近散热器。通过计算获得的压力系数Cpe、Cps分别为0.7，0.0。
图9为带有全尺寸护风罩且风扇关闭时车辆Ⅱ的试验和计算结果相关性。压力系数Cpe、Cps和车辆Ⅰ相同，分别是0.7和0.0。这些值将用于不同方案组合的计算。
2.3 结果分析
表1为车辆风洞试验结果与模拟值比较结果。
比较车辆的试验结果与模拟值发现，通过散热器的平均风速Ur，散热器的换热能力及发动机出口的冷却液温度对发动机的换热性能影响较大。另外，高车速与低车速情况的试验结果与模拟值的吻合度，前者表现更好。这可能是由于设计时风扇距离散热器过近导致实际流动受到干扰。
3 理论结果的扩展
通过以上试验和分析的对比，验证了模型的有效性。下文将基于验证模型对不同冷却模块组合进行分析。
为了研究进气前端和护风罩对发动机冷却系统和冷凝器性能的影响，我们将选用车辆Ⅰ进行研究，主要的参数如下：风扇功率300 W，8叶片，直径364 mm；冷凝器尺寸375 mm*515 mm，翅片间距1.3 mm；散热器尺寸414 mm*480 mm，翅片间距0.95 mm。 冷凝器芯厚的影响---对冷凝器三个不同厚度12 mm，16 mm和22 mm，不同车速下，通过散热器和冷凝器的平均风速Ur可以计算出来。可以看到：这三个冷凝器具有大致相同的空气风速。这些冷凝器较小的空气侧压力损失差异对风速Ur没有影响。这是由于散热器的压降远大于冷凝器（大约2倍）。通过散热器和冷凝器的风速主要由散热器和风扇控制。
然而冷凝器减小了通过散热器的风速（如图10、11所示）。在车速200 km/h时，没有冷凝器，风速会增加1 m/s。
护风罩的影响：相同风扇，不同车速下，护风罩对风速Ur有很大影响（如图12所示）。根据图1所示，有三类护风罩：全尺寸护风罩设计（FFS）；部分护风罩设计（PFS）；无护风罩设计（WFS）。
配置全尺寸护风罩在低车速状态有很好的效果，但无护风罩设计对中、高车速具有更好的效果，部分护风罩设计介于全尺寸护风罩设计和无护风罩设计中间。
进气截面系数是影响发动机冷却性能的一个重要参数，在中、高车速时，影响尤为显著（如图14所示）。在发动机冷却效率和汽车造型之间的一个折中是So/Sr为0.4。过大的So/Sr，如0.5，对冷却系统没有实际的影响。
格栅对发动机冷却系统影响很大特别是在中、高速状态（如图15所示）。对于怠速或低速状态（如车速小于20 km/h）基本没有影响。在高速状态，减小格栅的压力损失系数Kg会增大风速2～3 m/s。在平衡发动机冷却性能、空调系统和车辆风阻Cx中，Kg的取值范围最好在1.5～2之间。
4 结论
通过优化车辆前端和冷却模块，特别是风扇和护风罩，提升了发动机的冷却性能。通过研究发现，在发动机冷却性能、空调性能、和车辆造型之间的折中方案是：进气界面比So/Sr为0.4；格栅系数1.5
[1]Sadek Rahman， Richard Su，Robust. Engineering of Engine Cooling System， SAE Paper 2003-01-0149.
[2]Refki El-Bourini and Samuel Chen. Engine Cooling Module Development Using Air Flow Management Techniques， SAE Paper 931115.
[3]袁侠义，谷正气，杨易.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程，2009，31（9）.
[4]邵世婷，周健.格栅对发动机冷却模块性能影响的模拟与试验分析[c].中国汽车工程学会年会论文集，2010.
[5]陶文铨.数值传热学第二版[M].西安：西安交通大学出版社，2004.
[6]Ales Alajbegovic， Bing Xu， Alex Konstantinov， Joe Amodeo. Simulation of Cooling Airflow under Different Driving Conditions[J]. SAE International， 2007， 01， 0766.