主动进气格栅(AGS)对汽车风阻特性的影响分析

0 前言车辆空气动力学特性直接影响车辆的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性。车辆的气动阻力与车速的平方成正比，且气动阻力所消耗的功率和燃油又与车速的立方成正比。因此，通过空气动力学研究降低气动阻力、提高发动机燃烧效率，不仅能提高车辆的空气动力学特性，还可以改善车辆的燃油经济性。

车辆行驶的气动阻力由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和内流阻力五部分组成。以前主要通过改进车身局部造型改善近车体气流流动状况降低压差阻力。但随着研究的深入，对汽车局部细节的改型已日趋成熟，大幅度的降低压差阻力变得相当困难。研究表明，内流阻力约占汽车总气动阻力的10%～18%，主要是由于气流通过车辆的冷却系统引起的。因此，改善发动机舱内部流场结构作为减阻的方案是合理可行的。

智能格栅是汽车进气格栅装置的一种，安装在散热器前方的格栅口位置。相对普通的进气格栅，智能格栅具有可以旋转90°的电动叶片，可以根据发动机水温的高低及时调整进气格栅的进气角度，具有降低汽车风阻系数、缩短发动机升温时间、降低油耗、提高汽车动力性能等特点。如在拥堵路况下低速行驶时，进气格栅会主动开启；当车辆在高速道路保持稳定速度行驶时，进气格栅会自动关闭以获得更好的空气动力表现，提高燃油经济性。

本文利用star ccm+对某车辆智能格栅不同开启角度（全关0°、20°、40°、60°、80°、全开90°）的气动阻力系数变化进行仿真分析，研究智能格栅对车辆整车风阻系数及机舱内流动的影口向。

1 数值计算分析

1.1 几何模型的建立

本文基于某车辆建立了加装智能格栅的分析模型。模型在建立过程中基本保证了与实车的一致性，包括雨刮器、后视镜、发动机舱、底盘、轮胎等复杂的结构。

发动机舱内部结构十分复杂，存在着许多的油、水、电管道和电缆，为反映发动机舱内真实的流动特性，本文分析保留了发动机舱内部结构的真实形状，并建立计算所用的CAD模型。建模主要考虑了冷却系统、发动机体、电器系统、发动机底护板以及发动机舱内表面模型等，对于一些对流动影响不大的管道、电线等，只做了适当的简化处理，仍然保留了所有对发动机舱内部流动分析有影响的几何特征。发动机舱内部模型及智能格栅模型如图1所示。

图1 发动机舱内部模型及智能格栅模型示意图

1.2 计算域的确定及网格划分

为了使计算结果更接近于汽车行驶的真实环境，对计算域的基本要求就是：计算域的边界不能对流场形成干涉，也就是说使车辆受到影响的流场完全包括在计算域内。本文仿真采用的计算域为包围车辆模型的长方体，长约为11倍

车长，其中车辆车头距计算域入口为3倍车长；宽约为11倍车宽；计算域高约为6倍车高，如图2所示。

图2 计算域示意图

采用切割体网格(Trimmed Mesh)对整个计算流体域进行网格划分，对发动机舱区域使用密度盒进行加密。整车发动机舱纵对称面体网格如图3所示。

图3 纵对称面网格示意图

1.3 边界条件的设置

由于数值模拟是在有限区域内进行，因此在区域的边界上需要设置与实际情况相符合的边界条件。本文仿真模拟计算域边界条件的设置如表1所示。对

于冷凝器和散热器采用多孔介质模型进行模拟，模型中的关键系数粘性阻力系数和惯性阻力系数通过试验进行获取。

表1 计算域边界条件设置

2 仿真结果分析

对车辆100km/h速度行驶时，智能格栅不同开启角度（全关0°、20°、40°、60°、80°、全开90°）下的工况进行仿真分析。

2.1 压力分析

图4和图5分别为智能格栅不同开启角度（全关0°、20°、40°、60°、80°、全开90°）时冷凝器入口压力云图及发动机舱压力系数云图。从图中可

以看出，随着智能格栅的开启，冷凝器入口压力增加，特别是位于下格栅后方的冷凝器下端，压力增加明显，整车发动机舱内压力也随之增大，整车阻力增加。智能格栅开启角度0°～40°变化时，冷凝器入口压力及机舱内部压力增大明显，智能格栅开启角度>40°后，冷凝器入口压力及机舱内部压力增大趋势渐缓。

图4 冷凝器入口压力云图

图5 发动机舱压力系数云图

2.2 流场分析

表2为冷却模块入口气流流量统计。图6为智能格栅开启角度0°、40°、90°时，z=0.1m截面速度矢量图。结合图6和表2可以看出，智能格栅全关时，

几乎没有气流流入冷却模块内，但是有部分气流通过冷却模块周围的缝隙处流入机舱；随着智能格栅开启，进入冷却模块的气流量增加，流速增大，特别是智能格栅开启角度0°～40°变化时。而随着智能格栅开启角度的进一步加大，流入冷却模块的气流量增大不明显。

表2 冷却模块入口流量

图6 截面z=0.1m速度矢量图

2.3 风阻系数

图7为智能格栅不同开启角度（全关0°、20°、40°、60°、80°、全开90°）整车风阻系数示意图。智能格栅全关状态下整车风阻系数最小，随

着智能格栅开启角度的增大，整车风阻系数也逐渐增加，但智能格栅开度40°～90°变化时，整车风阻系数变化不明显，智能格栅全开状态下整车风阻系数达到最大；智能格栅全关状态与全开相比，整车风阻系数降低了7count。

图7 整车风阻系数示意图

3 结论

通过对智能格栅不同开启角度下整车气动特性进行分析，在智能格栅开启角度小于40°时，智能格栅对整车气动阻力特性有降低有明显效果，有助于改善整车的燃油经济性。