汽車環境風洞地面區域流場數值仿真

李建，張長平，許翔，王丹，張藝倫，牟連嵩

（1.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

隨著汽車產業的發展，汽車測試任務不斷增長。汽車環境風洞可以精確模擬汽車試驗所需的極端環境條件，真正實現汽車全氣候環境試驗，已經成為汽車研發中必不可少的試驗設備。地面邊界層作為評價風洞地面流場品質的重要指標，一直受眾多研究者所關注。地面邊界層的存在會對風洞試驗結果的準確性造成一定程度的影響。陳軍等[1]研究發現，地面邊界層會使通過車底的氣流通量減少，造成車輪等車輛部件的力矩損失，從而使空氣動力學測量產生誤差。Wiedemann等[2]通過對比不同抽吸率下阻力測試的結果，得出邊界層抽吸裝置會改變車前部的靜壓梯度，影響阻力測試的結果。梁媛媛[3]通過總結得出，當邊界層位移厚度大于車底與地面高度的8.5%時，會影響汽車的風阻、氣動升力和俯仰力矩等空氣動力學性能。王宏朝等[4]通過數值模擬發現，邊界層的存在還會使得通過散熱器的冷卻空氣質量流量發生變化。為消除地面邊界層的影響，目前在風洞中逐漸普及了地面模擬系統。Klemin[5]在1930年首次采用移動地板的方法模擬了地面效應，并取得了成功。丁寧等[6]通過對移動帶系統進行數值模擬得出，移動帶自身空轉也會產生升力，升力會隨來流速度的增加而有所增大，移動帶自身產生的升力可使實驗車輛升力增加27%。張英朝等[7]研究發現，移動帶和垂直抽吸裝置均能有效地降低地面邊界層的厚度，改善地面附近區域的流場，同時使用這兩種裝置可以獲得對地面邊界層的最佳控制。汽車車輪對汽車空氣動力學特性有重要的影響。方健等[8]通過對車輪的旋轉進行模擬，發現車輪旋轉運動會改變車輪周圍和汽車尾部的流場結構，引起氣動特性的顯著變化。黃海波等[9]使用旋轉壁面技術對車輪轉動進行了模擬，結果表明，氣流在輪胎-輪罩間隙中存在相匯區，并形成渦流，氣流主要從相匯處溢出，對汽車外流場產生一定的影響。

目前，關于風洞地面流場的研究主要集中在地面邊界層厚度對汽車風洞試驗的影響，以及如何降低地面邊界層厚度，尚沒有關于汽車環境風洞中底盤測功機對地面流場影響的研究。底盤測功機安裝于風洞地面，在試驗時會對車輪及底盤附近的流場造成影響，進而影響整車流場。本文采用數值仿真的方法，研究了汽車環境風洞的抽吸率及邊界層厚度，分析了底盤測功機對汽車環境風洞地面流場的影響規律，為進一步探究汽車環境風洞中底盤測功機和車輪旋轉共同作用對汽車外流場的影響奠定了基礎。

1 汽車環境風洞簡介

本文研究對象為某汽車環境風洞，如圖1所示。風洞試驗段長為13.59 m，寬10 m，高7.5 m，試驗段內配備有底盤測功機和全光譜陽光模擬裝置。風道內主風機直徑為4.75 m，最大轉速為550 r/min。換熱器位于穩定段，其附近設有阻尼網，用于均勻氣流。風洞主噴口寬3.3 m，高2.5 m，噴口面積為8.25 m2，對應噴口最大風速為250 km/h。

圖1 汽車環境風洞Fig.1 Schematic diagram of automotive climate wind tunnel

2 數值模型及驗證

2.1 數值模型概述

風洞三維模型參照某汽車環境風洞設計圖紙進行創建，選取汽車環境風洞的穩定段、收縮段、噴口、試驗段、收集口和擴散段建立計算域，汽車環境風洞計算域模型如圖2所示。試驗段內保留底盤測功機、全光譜陽光模擬裝置、固定支架、照明燈等所有內部結構。環境風洞計算域模型各區域面網格的劃分采用三角形面網格，體網格的類型為以六面體為核心的剪裁體網格。整個計算域體網格尺寸為1～300 mm，在近壁面處生成兩層邊界層網格，網格增長率為1.1，總厚度為8.4 mm。為了增加對近地面流場的捕捉，對底盤測功機和地面區域體網格進行了加密，考慮到體網格數量和計算時間等因素，將加密區域網格尺寸定為10 mm，最終生成的體網格數量約為3 917萬。

圖2 汽車環境風洞計算域模型Fig.2 Automotive climate wind tunnel computing domain model

風洞入口邊界設置為質量流量入口，出口邊界設為分離流出口，入口質量流量數值由風洞收縮段的收縮比、氣流密度及噴口設定風速計算得到。將邊界層抽吸裝置簡化為抽吸平面，設置為分離流出口。為保證風洞數值模型與真實風洞完全一致，參照環境風洞結構設計圖紙，在風洞模型噴口左側和右側的怠速風門內部相同位置分別設置一個壓力釋放端口。壓力釋放端口出口設置為壓力出口，而壓力釋放端口入口設置為質量流量入口，彌補邊界層抽吸裝置抽吸而失去的質量流量，保證計算域內的質量流量守恒。鑒于Realizablek-ε模型能夠較為準確地捕捉流動分離[10]，并且它對廣泛的流動有效[11-14]，因此將其作為本文所使用的湍流模型。

2.2 風洞試驗

試驗選擇在無車的汽車環境風洞試驗段內進行，測試風速為20～200 km/h，風速間隔為20 km/h，風洞試驗如圖3所示。測試設備主要有電腦、電子壓力掃描閥和邊界層耙等。電腦上裝有與電子壓力掃描閥配套的數據采集系統，壓力掃描閥通過數據線與電腦上的數據采集系統實現數據連接，邊界層耙通過測壓軟管與壓力掃描閥上的通道相連。測試位置選擇風洞軸向中心線位置，在距離風洞噴口0.83、1.73、3.32、4.32、5.32、6.32 m處測試地面區域邊界層厚度，其中0.83 m處約為車前側位置，6.32 m處約為車后側位置。

圖3 邊界層厚度測量試驗Fig.3 Diagram of boundary layer thickness measurement test

2.3 抽吸率研究及仿真精度驗證

邊界層抽吸裝置是汽車環境風洞重要的組成部分之一，它的主要作用是抽吸地面附近的低速氣流，從而達到降低地面邊界層厚度的目的[15-17]。抽吸率為抽吸速度和主流速度之比，抽吸率過低，無法有效控制下游的邊界層厚度，抽吸率過高，會影響主流流場的氣流角度等[18-19]。數值仿真計算風速為20～200 km/h，風速間隔為20 km/h，分別計算了不同噴口設定風速下邊界層抽吸裝置不同抽吸率下的邊界層厚度。選擇風洞試驗典型風速120 km/h進行分析，在此風速下數值仿真計算的部分抽吸率、抽吸速度和抽吸量見表1。所有算例全部采用穩態計算，迭代5 000步后，最終的收斂殘差在10–3量級以下，認為計算收斂。

表1 風速120 km/h的部分抽吸率、抽吸速度和抽吸量Tab.1 Partial suction rate, suction speed and suction capacity at a wind speed of 120 km/h

數值仿真計算結果表明，噴口設定風速為120 km/h時，邊界層抽吸裝置的最佳抽吸率為0.048，此時抽吸量約占噴口總流量的1.51%。為驗證模型仿真的精度，選取環境風洞軸向中心線處距離噴口0.83 m的試驗測量位置，將此位置邊界層耙上60個測點的測量風速值與數值仿真計算值進行對比，對比結果如圖4所示。由圖4可以看出，在最佳抽吸率下，測點位置處邊界層耙上60個測點的測量風速值與數值仿真計算值基本吻合?？拷孛嫣幱捎谕牧髂Ｐ秃途W格等因素的影響，計算誤差較大，其余位置計算誤差在2%以內，可以認為該數值模型具有較高的仿真精度。

圖4 邊界層耙測量風速值與計算值對比Fig.4 Comparison between measured wind speed and calculated wind speed with boundary layer rake

3 結果分析

3.1 風洞軸向中心線位置邊界層厚度

邊界層內流體的流動速度是漸近地趨于外部主流速度，所以邊界層內外區域的分界線不明顯。邊界層的厚度通常定義為從物面到約等于99%的外部流動速度處的垂直距離。當底盤測功機關閉時，環境風洞軸向中心線位置邊界層厚度測量結果和計算結果對比見表2，表中δ為邊界層厚度，δ*為邊界層位移厚度。

表2 風洞軸向中心線位置邊界層厚度測量結果和計算結果對比Tab.2 Comparison of measured and calculated boundary layer thickness at axial center line of wind tunnel

由試驗數據可得，風洞地面區域邊界層厚度隨著與噴口距離的增加逐漸增厚，原因是，風洞地面邊界層是由于氣體的黏性作用而產生的。邊界層緊靠地面，沿壁面法線方向存在著很大的速度梯度，由于最靠近地面的一層氣體速度為0，而邊界層頂部氣流速度接近主流速度，隨著氣流的流動，受氣體黏性作用的影響，低速的氣體層與高速的氣體層之間的速度梯度減小，邊界層頂部氣流要達到風洞中心主流速度，具有速度梯度的氣體層數增加，邊界層厚度必然逐漸增加。

由表2的結果可知，環境風洞軸向中心線處不同位置的邊界層厚度在設置的最佳抽吸率下得到了有效的控制。數值仿真計算中，地面測試區域的邊界層厚度控制在122 mm以內，邊界層位移厚度控制在17 mm以內。在距離風洞抽吸口較近的位置，地面邊界層厚度和邊界層位移厚度的試驗數據與仿真數據的絕對值較低，因此導致數值仿真計算的相對誤差較大，其他位置邊界層厚度的相對誤差基本保證在12%以內，邊界層位移厚度的相對誤差基本保證在10%以內。考慮到數值仿真軟件本身存在的數值仿真計算誤差，邊界層厚度和邊界層位移厚度的數值計算結果具有較高的精度。

3.2 底盤測功機對地面流場的影響

在汽車環境風洞中，底盤測功機是以轉轂的表面來模擬路面，主要用以進行汽車的行駛阻力測試、發動機功率測試以及汽車加速性能和爬坡性能等測試[20-23]。由于底盤測功機區域試驗測試設備安裝困難，因此從數值仿真的角度探究了底盤測功機對地面流場的影響。

數值仿真計算風速為20～200 km/h，風速間隔為20 km/h，仿真計算中，邊界層抽吸裝置的抽吸率為各噴口風速下的最佳抽吸率。選擇風洞試驗典型風速120 km/h進行分析，其他風速流場規律與120 km/h基本相似。數值仿真計算了無底盤測功機、底盤測功機分別處于關閉和打開狀態等3種情況下的環境風洞地面流場。在仿真計算中，底盤測功機轉轂的轉動采用MRF法和旋轉壁面法2種方法，MRF方法是通過旋轉參考坐標系的方法體現轉轂在旋轉區域的效果[24]，而旋轉壁面法是通過在物體表面設置切向速度來模擬真實旋轉[25-26]。

3.2.1 底盤測功機附近區域邊界層厚度

底盤測功機主要影響其附近的流場，對風洞地面其他位置流場的影響較小，所以主要分析了底盤測功機周圍區域的流場規律。由于底盤測功機4個轉轂是左右對稱分布的，因此分析了底盤測功機左側前后2個轉轂附近5個位置的地面邊界層厚度，位置信息和4種計算工況下的計算結果見表3。

表3 底盤測功機區域不同位置邊界層厚度對比Tab.3 Comparison of boundary layer thickness at different positions in chassis dynamometer area

由表3可得，汽車環境風洞無底盤測功機時，自風洞噴口流出的氣流在地面附近無任何阻擋，地面邊界層得以充分發展。隨著氣流的流動，邊界層逐漸增厚，相比于存在底盤測功機時，區域內相同位置的邊界層厚度增加1.28～12.22 mm。對比MRF法和旋轉壁面法2種數值模擬方法的模擬結果可得，在前轉轂前側，采用旋轉壁面法進行模擬比MRF法邊界層厚度增加近8 mm；而在其他位置，2種模擬方法對邊界層厚度的模擬區別不大，差別在1.5 mm以內。通過對比底盤測功機處于打開與關閉狀態時不同位置的邊界層厚度可得，底盤測功機轉轂的轉動會使周邊的氣流發生擾動，進而使附近區域的地面邊界層厚度變大。

3.2.2 底盤測功機區域風速分布

在車型設計中，一般轎車底盤高度在110～150 mm。為對比4種仿真工況下底盤測功機區域風速分布規律，在底盤測功機區域高度方向選擇轎車底盤平均高度130 mm進行風速分析。在汽車環境風洞計算域內左側底盤測功機軸向中心線130 mm高度處依次縱向設置51個風速監測點，監測點的分布范圍為自前轉轂前側至后轉轂后側，在X方向為距離噴口2～7 m，監測點與監測點之間的間隔為0.1 m。汽車環境風洞底盤測功機區域無底盤測功機和底盤測功機不運行時的速度云圖對比如圖5所示。使用MRF法和旋轉壁面法2種轉轂轉動模擬方法的底盤測功機區域速度云圖對比如圖6所示。由數值仿真計算結果得出的4種仿真工況下底盤測功機區域距離地面高度130 mm的風速分布如圖7所示。

圖5 無底盤測功機和底盤測功機不運行工況速度云圖對比Fig.5 Comparison of velocity cloud image under different operating conditions (a) with chassis dynamometer and(b) without chassis dynamometer

圖6 MRF法和旋轉壁面法速度云圖對比Fig.6 Comparison of velocity cloud image between (a) MRF method and (b) rotating wall method

圖7 底盤測功機區域130 mm高度處的風速分布Fig.7 Wind speed distribution at 130 mm height in the chassis dynamometer area

通過圖5和圖7可以發現，底盤測功機的結構會對附近風速產生影響，并且底盤測功機處于關閉和打開狀態時，附近區域的風速變化趨勢一致，而后轉轂附近風速波動略大。這種風速分布規律主要是由底盤測功機地面部分的結構造成的。由于轉轂轂面略微凸出地面，因此在前轉轂的前側、上側、后側和后轉轂的上側和后側都會有一個高風速區域，區域內風速比設定風速高1%～4%。在前后轉轂前側和后側與地面相連接的位置各有一個凹部，在這類位置由于氣流的回流，會形成一個風速略低的區域，低風速區域風速比設定風速低1%～5%。由于后轉轂前側與地面連接處平滑過渡，氣流并沒有受到嚴重阻擋，因此在后轉轂前側風速幾乎不受影響。底盤測功機對近地面風速的影響隨著距離地面高度的增加而逐漸減小，在底盤測功機區域距離地面高度260 mm以上區域，底盤測功機對風速幾乎沒有影響。

由圖6和圖7可以得出，使用MRF法和旋轉壁面法對轉轂進行模擬時，底盤測功機區域的風速分布近乎一致，可以認為這2種模擬方法對底盤測功機區域風速的模擬精度一致。通過圖7可以發現，當底盤測功機處于打開狀態時，在前轉轂前側和后轉轂后側的風速相對于關閉狀態時會減小。造成這種現象的原因是底盤測功機打開后，轉轂的轉動使前轉轂前側和后轉轂后側區域地面邊界層厚度增大，邊界層內風速比主流風速低，受邊界層的影響，在前轉轂前側和后轉轂后側的風速相對于關閉狀態時會減小。

3.2.3 底盤測功機附近區域總壓損失

數值仿真計算中，底盤測功機區域的總壓值監測點與風速監測點一致，4種計算工況下底盤測功機區域距離地面高度130 mm的總壓損失計算結果如圖8所示。由圖8可得，底盤測功機區域總壓隨著距噴口距離的增大而逐漸減小，可見底盤測功機區域具有一定的總壓損失；而無底盤測功機時，總壓損失更小。對比MRF法和旋轉壁面法得出的總壓曲線可得，旋轉壁面法可以模擬出底盤測功機區域的壓降，對總壓趨勢的模擬更加準確，而MRF法對總壓的模擬誤差較大。在地面高度130 mm處，距離噴口6.4 m位置的下游區域，風洞中存在底盤測功機時總壓開始出現較大幅度的下降，并且在底盤測功機處于打開狀態時，總壓下降尤為明顯。原因是此處位于后轉轂后側，受后轉轂結構的影響，總壓出現驟然下降，而后轉轂對總壓的這種影響在轉動時更加明顯；前轉轂區域由于地面部分結構簡單，因此在此高度處對總壓影響較小。

圖8 底盤測功機區域130 mm高度總壓損失Fig.8 Total pressure loss at 130 mm height in the chassis dynamometer area

3.2.4 底盤測功機附近區域靜壓分布

數值仿真計算中，底盤測功機區域的靜壓值監測點與風速監測點一致。汽車環境風洞的底盤測功機區域無底盤測功機和底盤測功機不運行工況的靜壓云圖對比如圖9所示。采用MRF法和旋轉壁面法得出的底盤測功機區域靜壓云圖如圖10所示。由數值仿真計算結果得出的4種工況下底盤測功機區域距離地面高度130 mm處的靜壓曲線如圖11所示。

圖9 無底盤測功機和底盤測功機不運行工況靜壓云圖對比Fig.9 Comparison of static pressure cloud image under different operating conditions(a) with chassis dynamometer and (b) without chassis dynamometer

圖10 MRF法和旋轉壁面法靜壓云圖對比Fig.10 Comparison of static pressure cloud image between (a) MRF method and (b) rotating wall method

圖11 底盤測功機區域130mm高度靜壓分布Fig.11 Static pressure distribution at 130mm height in the chassis dynamometer area

由圖9和圖11可得，在前轉轂的前側、上側、后側和后轉轂的上側和后側這5個高風速位置，各有一個靜壓值較低的區域。與無底盤測功機相比，區域內靜壓值低0.32～46.02 Pa。在前后轉轂與地面連接處的凹部，這些位置風速較低，各有一個靜壓值較高的區域。與無底盤測功機相比，區域內靜壓值高0.08～49.34 Pa。后轉轂前側的凹部由于沒有正對來流方向，且此處平滑過渡，因此對靜壓值的影響較小。對比前后轉轂區域，后轉轂區域較前轉轂區域的靜壓波動大。這主要是由于后轉轂地面部分比前轉轂略大，且結構更為復雜，對靜壓分布的影響也更大。

由圖10和圖11可得，采用MRF法進行轉轂轉動的模擬得出的靜壓曲線和旋轉壁面法非常接近，可以認為這2種模擬方法對底盤測功機區域的靜壓分布模擬精度一致。當底盤測功機處于打開狀態時，在前轉轂前側和后轉轂后側區域的靜壓值比關閉狀態時大。原因是當底盤測功機處于打開狀態時，在前轉轂前側和后轉轂后側的風速相對于關閉狀態時會減小，使當地靜壓變大，因此在前轉轂前側和后轉轂后側區域的靜壓值比關閉狀態時大。由數值計算結果顯示，在距離地面473 mm以上位置，底盤測功機對靜壓的影響基本消失。

4 結論

采用數值仿真的方法，得出了汽車環境風洞的抽吸率，分析了底盤測功機區域的邊界層厚度、風速和壓力分布情況。針對轉轂轉動的模擬，對比了MRF法和旋轉壁面法對底盤測功機區域流場模擬的差異，得出了以下結論。

1）在每一設置風速下，汽車環境風洞的邊界層抽吸裝置都有其對應的最佳抽吸率，噴口設定風速為120 km/h時，邊界層抽吸裝置的最佳抽吸率為0.048，此時抽吸量約占噴口總流量的1.51%。

2）底盤測功機不運行時，其結構會對附近區域地面邊界層厚度、風速、總壓和靜壓分布產生影響。相比于底盤測功機不運行工況，汽車環境風洞無底盤測功機時，底盤測功機區域內相同位置的邊界層厚度會增加1.28～12.22 mm，而總壓損失會減小。在前轉轂的前側、上側、后側和后轉轂的上側和后側都會有一個高風速區域，區域內風速比設定風速高1%～4%，與無底盤測功機相比，區域內靜壓值低0.32～46.02 Pa。在前后轉轂前側和后側與地面相連接的凹部會有一個低風速區域，區域內風速比設定風速低1%～5%，與無底盤測功機相比，區域內靜壓值高0.08～49.34 Pa。在高度方向，底盤測功機對近地面風速、總壓和靜壓分布的影響范圍有限。在底盤測功機區域一定高度范圍內，后轉轂對風速、總壓和靜壓分布的影響較大。

3）底盤測功機轉轂的轉動會使附近區域的地面邊界層厚度變大。相比于關閉狀態，底盤測功機處于打開狀態時，在后轉轂后側的總壓下降幅度更大。在前轉轂前側和后轉轂后側區域，底盤測功機處于打開狀態的風速比關閉狀態時小，靜壓值則比關閉狀態時大。除前轉轂前側位置，MRF法和旋轉壁面法對邊界層厚度的模擬差別不大。2種模擬方法對底盤測功機區域風速和靜壓分布的模擬精度一致；而對于總壓的模擬，旋轉壁面法對總壓趨勢的模擬更加準確，MRF法對總壓的模擬誤差較大。對比MRF法和旋轉壁面法，旋轉壁面法更適合對底盤測功機區域流場的模擬。