1 引言

随着顾客对高品质、高性能汽车的不断追求，国内各汽车厂商的发动机功率和性能不断提升， 整车的热负荷也随之增加，对轿车尤其是紧凑型轿车的冷却性能的要求也越来越高。冷却系统主要依靠冷空气通过散热器带走热量而实现冷却，然而由于发动机舱内空间狭小，布置紧凑，空气流通不畅，散热较为困难，冷却性能不良已经成为影响整车性能的重要问题之一。

在传统的汽车设计中，大多依靠试验的手段来验证解决冷却问题，这种方式不仅试验费用高昂、周期较长，而且设计更改困难。对于需要多次试验进行优化设计时，由于样车等资源限制，试验实施起来是非常困难的。随着CFD 技术的发展，CFD 在前期预测和优化设计方面发挥越来越重要的作用， 其可以在较短的时间内完成多种方案的优化分析，已经成为现代汽车设计中的重要手段。与试验相比，CFD 分析具有预先研究、不受条件限制、信息丰富、成本低和周期短等优点。然而在设计的前期， 冷却模块尤其是冷却风扇不一定都有具体的三维数模，这给前期冷却系统的匹配和冷却性能的预测带来了很大的困难。此时，利用风扇子程序来替代实际数模进行模拟计算就显得十分必要了。STAR-CD 风扇子程序对风扇数模的要求简单，只需要风扇域的基本尺寸以及风扇的P-Q 曲线即可。本文即运用 STAR-CD 软件及其风扇子程序对缺少风扇数模的前期整车设计模型进行模拟分析，分析结果能够帮助我们进行风扇选型以及优化前端冷却模块，提高整车冷却性能。

2 基本理论

2.1 风扇子程序原理

STAR-CD 风扇子程序使用Fortran 语言编写，其基本原理可以概括如下：首先给风扇域一个动力源项，也就是给定风扇一个初始速度（这个初始速度可根据风扇在舱内的运行环境，按照实际工程经验给出。如果给定的初始速度越接近此模型的实际值，则越有利于计算收敛。），然后根据速度计算风扇的前后压差（也就是压降），再将这个速度和压降与风扇P-Q 曲线对比，看这个点是否落在P-Q 曲线上。如果落在曲线上，则计算收敛，如果落在曲线以外，则返回继续迭代，直至找到那个落在P-Q 曲线上的平衡点。

2.2 控制方程

基于所研究汽车运动的实际情况,可以认为汽车流场为三维、定常、等温、不可压粘性湍流流动, 其控制方程为不可压雷诺平均N-S 方程：

对于连续方程：

对于x 方向的动量方程：


y、z 方向具有类似的表示。

除了求解N-S 方程的连续方程和动量方程之外，还需求解附加的两个反映湍流运动尺度的方程，即湍动能方程及湍动能耗散率方程。

求解标准k -e 模型具有如下形式：

湍动能方程：

湍流耗散率方程：

其中：

各常数为

3 分析模型

3.1 模型建立

整个冷却分析模型包括车身外部、发动机舱内部件、底盘系统、动力总成、进气格栅、冷却系统等影响前舱空气流动的主要部件，其中在进气格栅、冷却系统、水箱横纵梁等位置进行了细化处理，最终生成了约850 万流体单元。模型如图1 所示。

图1 冷却分析中的发动机舱内模型