某SUV車型機艙流場CFD仿真驗證

楊 麗，石慶松，魏 宏

Yang Li，Shi qingsong，Wei Hong

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

某SUV車型機艙流場CFD仿真驗證

楊 麗，石慶松，魏 宏

Yang Li，Shi qingsong，Wei Hong

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

為建立具有工程開發可信度的整車發動機艙流場計算模型，精確模擬發動機艙內流場分布，制定了 5種CFD空氣流場仿真與整車風洞試驗對比方案，得到不同方案下模型的計算精度，根據分析對模型及邊界設置進行調整，最終方案誤差在3%以下，滿足工程應用要求，模型可用于發動機艙流場模擬。

CFD；發動機艙；流場；模型驗證；STAR-CCM+

0 引 言

CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）仿真技術廣泛應用于汽車的設計開發中。作為一種虛擬試驗技術，計算模型的準確性直接關系到結果的精確度和工程應用中的可信性。利用STAR-CCM+軟件搭建模型對某國產SUV車型發動機艙流場進行模擬，并通過整車熱環境風洞測得相關數據進行驗證，得到具有工程應用可信度的發動機艙流場計算模型。

1 風洞試驗

1.1 試驗設施

試驗在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的熱環境整車風洞中進行，風洞主要技術參數為：

駐室尺寸：20 m × 13 m × 8 m；

噴口尺寸/面積：3.05 m × 2.25 m / 7 m2；

最大風速：200 km/h；

溫度范圍：-20~55 ℃；

濕度范圍：RH 5%～95%。

1.2 車輛前端模塊測點布置位置圖

前端16個測速扇測點布置如圖1所示（從車后往車前看）。

圖1 前端風速測點布置圖

1.3 試驗條件與試驗結果

試驗條件見表1。

表1 風洞試驗條件

各工況散熱器前平均風速試驗結果見表2。

表2 散熱器前平均風速試驗結果

2 仿真計算

2.1 基本控制方程

汽車發動機艙內流場一般視為定常、三維不可壓縮流場，因此可假設其流動過程為穩態湍流。將流體視為由連續分布的無數流體微團構成，其滿足連續性方程、N-S方程及能量守恒方程。

式中，ρ為流體密度，V為速度向量，?為哈密頓算子。

式中，P為作用在流體微團表面的壓力；fx，fy，fz為作用在x，y，z方向上的體積力；τxx，τyy，τzz為流體微團之間相互作用的正應力；τyx，τzx，τxy，τzy，τxz，τyz為流體微團之間相互作用的剪切應力。

2.2 幾何模型

為保證計算結果精度，數模幾何清理中僅對部分零部件進行簡化，主要是對車身縫隙平面化、去除部分線束和雨刮器等車身外部特征。數模包括車身A面、格柵、車輪和發動機艙內結構等，模型外觀如圖2所示。

圖2 仿真模型數模

2.3 計算域建立及網格劃分

仿真風洞尺寸為35 m ×12 m × 8 m，與整車對比效果如圖3所示。

圖3 仿真風洞

為提高計算精度、計算穩定性和收斂性，對各換熱器和格柵等區域進行不同程度的細化，并在整車和地面劃分層網格，以模擬邊界層現象，層數為 2，增長率為 1.15。使用 STAR-CCM+中Trim網格形式，體網格數量為2 600萬左右。機艙位置網格如圖4所示。

圖4 機艙位置中截面網格

2.4 邊界條件

流體部分，環境溫度40 ℃，空氣密度1.128 kg/m3，粘度1.91×10-5Pa.s。

對于車身、車輪以及車身正下方地面采用非滑移壁面，劃分邊界層網格；對于仿真風洞兩側、頂部采用滑移壁面；車身前超過2 m的地面采用滑移壁面。

本車型中涉及的換熱器包括散熱器、冷凝器、中冷器和油冷器，采用多孔介質模型來模擬氣流在其厚度方向的壓降。慣性阻尼系數和粘性阻尼系數通過圖 5中散熱器性能曲線擬合得出。散熱器、冷凝器、中冷器和油冷器的孔隙率分別為82%、82.2%、47.8%和68.7%。

散熱風扇采用 MRF（Moving Reference Frame，旋轉參考坐標系）方式處理，轉速根據風扇測試轉速進行設置，數值見表2。

圖5 各換熱器性能曲線

2.5 分析方案及工況

考慮如下幾個因素對計算結果的影響：

1）測試扇框架對流場的影響；

2）空氣流速的測試及計算方法對多孔介質參數的影響；

3）換熱器孔隙率對流場的影響；

4）模型中風扇轉速對流場的影響。

經分析，設計 5種方案依次進行仿真計算，見表3。

表3 仿真計算方案

3 結果分析

3.1 仿真結果分析

對仿真模型進行穩態流場計算，經計算第2 000步計算結果已經收斂。

為保證仿真結果與試驗結果監測位置的一致性，在每一個測速扇位置分別建立監測面，共計16個監測面，則散熱器前平均風速為16個監測面的速度平均值。各方案模擬結果與試驗值對比見表4。

由表4可得：

1）對比方案1和方案2可知：加入測速扇框架后仿真誤差降低，為提高仿真分析精度，計算模型應與試驗車輛狀態保持一致，在后續仿真計算中應該加入測速扇框架模型；

表4 各方案模擬結果與試驗值對比

2）對比方案2和方案3可知：試驗數據修正后仿真誤差降低，為提高仿真分析精度，后續分析方案采用試驗數據修正后的多孔介質模型；

3）對比方案3和方案4可知：軟件中設置孔隙率與否，對計算結果無影響；

4）對比方案4和方案5可知：設置風扇轉速后，仿真誤差降低到5%以內，滿足工程需要。

綜上所述，為提高仿真分析精度，仿真分析條件必須與試驗條件一致。

3.2 修正模型驗證

根據上述分析，對模型及軟件設置進行修改，對各工況下發動機艙流場進行模擬，并與風洞試驗值進行對比，驗證模型準確性。模擬工況見表5。

表5 模型驗證工況

各工況下模擬結果及試驗值如圖 6中曲線所示。

由圖中曲線可知，仿真結果與試驗結果基本一致，經計算誤差均小于3%，小于工程誤差，滿足工程需要。

3.3 風洞結構驗證

為使仿真邊界條件與試驗邊界條件保持一致，對仿真邊界條件設置進行修改，見表6；將仿真風洞噴口調整為3.05 m × 2.25 m，調整后模型如圖7所示。對 6個模型驗證工況進行求解收斂后，仿真結果與試驗結果對比如圖8所示。

圖6 仿真結果與試驗結果對比曲線

表6 壁面條件設置

圖7 同濟大學風洞大小仿真噴口

圖8 仿真結果與試驗結果對比圖

由圖8可得，基于原始網格劃分策略，在改變邊界條件后，各測試工況下，仿真結果與試驗結果基本一致，誤差均小于3%，小于工程誤差，滿足工程需要。

圖9 仿真誤差率對比

由圖9可得，在仿真模型邊界條件與試驗條件保持一致后，除風速在40 km/h時誤差有所增加外，其余各工況仿真誤差均降低；因此，仿真模型邊界條件與試驗條件一致性越好則仿真誤差越小。

4 結 論

制定了幾種發動機艙流場計算模型方案，并與同濟大學熱管理風洞試驗結果進行對比，通過分析得出以下幾方面結論：

1）試驗中的測試儀器對所測物理量的影響應該予以考慮，如試驗中的測試扇框架對散熱器前流速產生了影響。

2）對具有多孔性的模擬項目，STAR-CCM+軟件中有孔隙率選項。通過驗證，此處設置對模擬結果的影響可以忽略。但可以將多孔性的影響體現在空氣流速度計算中，修正后的多孔介質模型精度有所提高。

3）風洞試驗中，風扇處于自由狀態（被動旋轉）。通過驗證，模擬計算中應該對風扇模型設置相應轉速。

4）計算模型及邊界條件設置應盡量與試驗條件保持一致。

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U461.1: U463.83+3

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.011

1002-4581（2017）01-0039-04

2016? 06? 16