本文探究了在装配有主动进气格栅的前端进气模块中，主动进气格栅叶片开启的角度、散热器倾 斜角度和护风罩结构对整车气动阻力和冷却性能的影响。建立整车数值模型，通过改变前端进气模块中散 热器与Z轴布置的角度，调整优化护风罩结构，研究整车气动阻力、冷却气流进气量和前端进气模块之间 的关系。结果显示优化护风罩结构可提升进气量，而将前端进气模块中散热器倾斜布置，也可以获取更多 的进气量，且气动阻力更低，并且散热器倾斜布置后，整车前端造型可以设计成低趴风格，从而进一步降 低气动阻力。
前端进气模块；散热器角度；气动阻力；数值模拟
汽车前端进气模块作为整车系统中的重要组成部分，具有调节机舱进气量和降低整车风阻的功能。其 结构设计和布置形式对于整车气动阻力和进风量至关重要，足够的进风量可以降低机舱的温度，使前舱各个部件，系统正常运转，但机舱的进气量增多也会导致内流阻力增大，从而使整车气动阻力增大，所以 有效控制前舱的进气量也是降低整车风阻的重要举措之一，所以许多汽车在前舱采取许多措施增加对前舱 进气的控制。
本文研究的前端进气模块由主动进气格栅（下文简称AGS），护风罩，散热器等组成，从AGS叶片开 启的角度、散热器倾斜角度（以正Y轴为法向，顺时针为正角度，散热器和Z轴方向的夹角即为散热器倾 斜角度，后续以“β”指代）和护风罩结构几个方向严格按照控制单一变量开展分析。使用CFD仿真工具 对某纯电SUV的前端进气模块各组成部分进行了分析，为取得较低的风阻系数提升续航里程，同时散热 器获得足够冷却进风量满足机舱降温需求，一方面分析散热器的角度和进风量及风阻之间的关系，另一方 面分析了护风罩的结构对相关性能的影响。结果表明通过改变散热器倾斜角度，可以整车风阻降低，同时 改善主动进气格栅在开启状态下前舱的冷却气流进风量，而护风罩的结构对于散热器进风量有直接的影响。
本文应用流体仿真软件STAR-CCM+，设计的计算域尺寸为（长×宽×高）60m×20m×12m。采用Trimmer网格对计算域进行划分，并对车身周边的空气域加密，往外逐层变大变疏，对A柱、C柱、后视镜、轮辋、 前格栅和尾灯等分离区域网格加密，对机舱内部简化处理，最终所得体网格总数约为2500万，计算域网 设计如下图1所示。图2为整车前舱示意图。
CFD仿真采用RANS稳态求解器，选择不可压缩Realizable K-e湍流模型，运用壁面函数求解近壁 面边界层流动，散热器及冷凝器采用多孔介质模型。具体边界条件设置如表1所示。
本文所用的基础整车模型中，前端进气模块包含主动进气格栅、护风罩、散热器，风扇等零部件，且 散热器与Z轴方向的夹角为0°，在之前的开发中，已通过仿真和试验对比AGS在开启和关闭两种状态下 对整车气动阻力的影响，结果如图3所示
如图3所示可以看到，随着AGS叶片开启角度逐渐增大，风阻增量与AGS叶片打开角度近似地线性 增大，直到接近某个临界点，风阻增量趋于平稳，几乎不受叶片角度增大影响。
此外，对比图3中的试验值和仿真值，两者趋势也是一致的，都显示随着叶片角度的增大，风阻增量 与AGS叶片打开角度近似地线性增大，直到接近某个临界点，风阻增量趋于平稳。AGS叶片开启角度小 于45°时，误差较小，随着角度逐渐增大，误差增大，初步分析随着叶片开口角度增大，进风量增大所带 来的气流波动影响增大导致。
图4为典型AGS叶片不同开启角度下的速度场，分析设置的叶片开启角度为θ=0°、15°、30°、45°、60°、90°的Y=100mm截面速度场，可以看到，θ=60°与θ=90°时，AGS后的进气已经相似，θ≥60°AGS叶 片遮挡作用已不明显。
本研究方案中选定散热器原始状态为0度，以正Y轴为法向，顺时针为正角度，参考散热器和Z轴方 向的夹角，设置了7种不同的角度β，分别为-45°，-30°，0°，15°，30°，45°，52°，散热器角度如下图5所示。在整车数模中运用网格变形的方法基于单一变量验证各方案，统计各方案下前端进风量整车风阻值， 进行对比分析寻找最优值。
如下图6结果所示，通过模拟发现，散热器倾斜角度和进风量基本存在一定的相关性。其中顺时针旋 转状态下，散热器进气量和其角度之间关系为从0°开始随着角度增加流量逐渐增加，在30°达到最大值， 之后随着角度增加流量逐渐减小，在散热器倾斜角度为30°时，前舱冷却气流流量达到最大值，相比散热 器竖直布置状态，即角度为0°时候，散热器进风量增加128m3/h。而散热器倾斜布置角度和整车风阻之间 也存在一定的相关性，在角度为3°至30°，整车风阻变化较小，随后随着角度的增大，整车风阻极速下降。
在逆时针旋转状态下，散热器从0°旋转到-45°，散热器进气量和其角度之间关系为从0°开始随着角度 增加流量逐渐增加，在-30°达到最大值，之后随着角度增加流量逐渐减小，在散热器倾斜角度为-30°时， 前舱冷却气流流量达到最大值，相比散热器竖直布置状态，即角度为0°时候，散热器进风量增加228m3/h。 同样，逆时针旋转状态下，散热器倾斜角和整车风阻之间也存在一定的相关性，随着角度的增大，整车风 阻逐渐降低。
针对散热器不同倾斜角度布置开展仿真对比分析，结果云图见图7，从下机舱速度截面云图中可以得 到，散热器倾斜角度在30°和-30°时，气流流通路径较为顺畅，散热器前端的护风罩管道空间增大，尤其是 护风罩上端，通道的结构变化导致流通阻力减小，这有利于散热器进风量的增加。
同时，从截面流场信息观察，角度并非越大越好，倾斜角度大于30°时，气流会直接冲击到机舱护板， 倾斜角度小于-30°时，气流会直接向上冲击到机舱机盖，阻塞的出口端不利于气流流通，导致散热器进气 量下降。从出口端分析，倾斜角度大于30°时，气流会直接冲击到机舱护板，倾斜角度小于-30°时，气流 会直接向上冲击到机舱机盖，阻塞的出口端不利于气流流通。
图8显示的是散热器在不同倾斜角度布置下进口端表面法相速度分布云图，本次对比分析了散热器倾 斜角度布置在52°至-45°这个区间的计算结果。
对比下图分析结果可得，散热器进口表面速度分布随着角度的变化有明显的改变，尤其散热器的两侧 和及其上端角落。造成此种因素由于风扇影响，不管角度如何调整，进口速度大的区域始终集中在散热器 中间区域，另外0至顺时针52°区间内，随着角度的增大，进口表面速度分布越来越均匀，低速滞留区逐 渐减小，在30°，进口表面高速覆盖区增至最大值；0°至-45°区间内，随着角度减小，进口表面速度分布均 匀性逐渐变差，低速滞留区逐渐增大，但高速覆盖面积占比增大。
本方案选用护风罩作为研究对象，护风罩作为前保与散热器之间的进气通道，针对其设计了几种不同 的护风罩外形结构，考察其对散热器进气量的影响。具体结构如见下图9。
表2是几种不同结构的护风罩散热器进风量的结果统计对比，表中数据显示，整体设计上，护风罩结 构顺着气流流向从前往后规则变化，在两侧局部压缩通道，有利于减小气流通道阻力，提升散热器进气量。
本文以散热器前端进气模块为研究对象，先从主动进气格栅开启角度进行研究，而后对散热器倾斜布 置的角度和护风罩的结构进行研究，考察散热器前端进气模块中这三个重要组成部分对整车气动阻力和进 气量的影响，总结出以下几点结论：
（1）AGS对整车风阻的影响十分明显，整车气动阻力增量与AGS叶片开启角度呈近似线性关系，AGS全开状态下，大量气流涌入机舱冲击舱内各零部件，导致整车气动阻力增大。
（2）散热器倾斜布置对降低整车风阻和提升进气量都是有利的，无论顺时针或逆时针布置，整车风 阻都有效降低，而角度在30°时，进气量提升效果最优，而逆时针倾斜布置可以获得更大的进风量提升， 顺时针布置可以获得更好的降阻效果。
（3）护风罩结构设计中避免中间出现缩口，后端出现喇叭口这般设计，保持从前往后呈缩口平顺过 渡状态，有利于减小气流通道阻力，提升散热器进气量。
谢志强,徐建美,李锋,等.前端进气模块对气动阻力和冷却性能的影响[C].2023中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集.2023.86-91.
