汽車環境艙流場的數值模擬與實驗研究

許 翔 張藝倫 梅 錚 李 建 王 丹 牟連

嵩中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司風洞中心,天津,300300

0 引言

汽車環境模擬實驗是汽車研發過程中必不可少的基礎性實驗。汽車環境風洞和環境艙是兩種應用最廣泛的汽車環境實驗室。相對于環境艙,環境風洞進行了專業的流場設計,其流場品質更接近于實際道路環境條件,模擬環境條件更多樣化[1]。但由于環境風洞設計復雜、建設周期長、建造和實驗成本非常高,制約了環境風洞的推廣使用。目前,我國汽車環境風洞數量有限,而環境艙實驗資源眾多,各大汽車企業主要將環境艙作為汽車環境模擬實驗的首選。環境實驗室的流場特性對汽車實驗結果有顯著的影響[2],深入了解汽車環境實驗室的流場特性對實驗室的流場設計與優化、實驗與仿真對標分析以及對實驗結果進行評估與修正等都有一定的參考價值。

實驗測試與數值模擬是研究汽車環境實驗室流場特性的主要方法,兩種方法各有優缺點。流場實驗測試具有更高的直觀性和實用性,但不能獲得整個實驗室的流場分布以及氣流流動路線;數值模擬擁有更好的可重復性和三維顯示效果,可以全面地研究整個環境實驗室內的流場細節,并探究實驗室流場分布規律以及影響流場品質的空氣動力學機理,但其準確性需要實驗驗證。為了深入了解汽車環境實驗室的流場特性,進而提高實驗室的流場品質以及實驗的準確性,國內外學者采用實驗和數值模擬相結合的方法已開展了相關研究,研究主要集中在汽車風洞領域。文獻[3-11]采用CFD仿真技術和實驗相結合的方法,研究了汽車風洞的噴口效應、地面效應、阻塞效應、風洞流場測試方法等,分析了風洞的結構、噴口面積、阻塞比、邊界層抽吸等對風洞的流場特性以及汽車在風洞內的空氣動力學性能的影響規律。文獻[12]研究了汽車環境艙內風機的安裝高度對實驗車輛車底氣流速度和部件溫度的影響規律。文獻[13]研究了汽車熱環境風洞的噴口效應對汽車發動機艙內熱流場的影響。文獻[14]利用汽車環境艙的瞬態熱性能模型分析了汽車環境艙的熱動力性能和能耗特性。

汽車環境艙相對于風洞的尺寸和體積較小,環境艙風機的出風口尺寸遠小于汽車風洞的噴口尺寸,也小于實驗汽車的正投影面積,導致流場阻塞比大,汽車前端、車身周圍以及尾部的空氣流場紊亂,使汽車格柵的進風量比汽車在環境風洞實驗或道路上行駛時的進風量少,進而影響汽車的熱平衡和底盤熱防護等性能的評估。目前,有關汽車環境艙流場品質的研究報道很少。本文采用數值模擬和實驗相結合的方法,系統研究了汽車環境艙內的流場特性。實驗測量了無車條件下汽車環境艙內的壓力、風速、邊界層、軸向靜壓梯度和動壓穩定性等流場參數。基于環境艙的實際結構尺寸,建立了環境艙的流場數值模型,多角度、形象直觀地展示了汽車環境艙中氣流速度、壓力及氣流流動軌跡等情況,分析了影響環境艙流場品質的主要因素,針對環境艙主風機的安裝高度和出風口的尺寸進行了優化仿真分析。

1 汽車環境艙介紹

以某汽車環境艙為研究對象(圖1),環境艙主要由艙體、底盤測功機、主風機、陽光模擬裝置和制冷機組等組成。環境艙的尺寸(長×寬×高)為18 m×8 m×5.3 m。風機的出風口尺寸為1.5 m×0.7 m,距地面的高度為0.075 m,風速模擬范圍為0～170 km/h。主風機為變頻軸流式風機,額定功率為132 kW,最大風量為180 m3/h。溫度模擬范圍為-40～60 ℃;濕度模擬范圍為10%～90%RH;陽光模擬強度為500～1200 W/m2。

圖1 汽車環境艙示意圖

2 環境艙流場數值模型

2.1 模型概述

CFD數值模擬是研究汽車環境艙內整體流場分布的理想方法。相比于實驗研究,數值模擬為分析難以通過實驗再現或測量的流動與傳熱問題提供了機會,可以顯著地減少研究時間和成本。根據汽車環境艙的設計圖,結合環境艙精確測量,獲取了環境艙的詳細結構尺寸以及主要組成部件的安裝位置等數據。對環境艙內的主風機、底盤測功機、陽光模擬裝置、制冷機組、汽車固定支架、安全防護網、實驗工況顯示屏、壁燈等實驗設備和設施進行了1∶1的詳細CAD建模,構建了一個結構尺寸、空間布局和實驗場景等與實際汽車環境艙相一致的CAD模型(圖2)。

圖2 汽車環境艙CAD模型

2.2 計算域與網格

如圖3a所示,將汽車環境艙整體作為數值仿真的計算域。在計算域內生成三角形面網格,面網格總數為622萬個。體網格的類型為以六面體為核心的剪裁體網格,為了準確地模擬近壁面處邊界層,在壁面生成了2層邊界層網格,第一層邊界層網格的厚度為3 mm,增長率為110%。為了提高環境艙內復雜幾何表面或區域內流場的仿真精度,對主風機、試驗段地面、陽光模擬裝置、測功機等局部區域進行了網格加密。整個計算域內體網格尺寸控制在1～100 mm之間,生成的體網格數量為1623萬個。圖3b為計算域內網格視圖。

(a)環境艙數值計算域

2.3 湍流模型及邊界條件

數值計算采用商用軟件Star CCM+,假定環境艙內的空氣流動類型為不可壓縮流動。由于Realizablek-ε湍流模型能準確地捕捉分離流動以及對復雜流場的廣泛適應性[15-16],因此將其作為本研究的湍流模型。空間離散采用二階迎風格式,將計算精度(即收斂殘差)控制在10-4以下。近壁面使用雙層y+壁面處理方法以減弱對邊界層網格尺寸的敏感性,將y+值設置在5～100的范圍內。

汽車環境艙流場仿真邊界條件主要包括環境艙體與外界的換熱以及艙內空氣的流動邊界條件等。由于環境艙內溫度與外界環境的溫差很小,故可忽略艙體與外部環境的換熱,將環境艙體表面設置為絕熱邊界條件。環境艙內空氣的流入與流出邊界主要包括模擬實驗風速的主風機、制冷機組的風機、環境艙新風系統以及汽車尾氣排氣管等。在無車狀態下環境艙內汽車尾氣排氣管處于關閉狀態。主風機和制冷風機分別設置兩個邊界條件,其中主風機前側出風口設置為速度入口邊界,主風機后側空氣出口設置為分離流出口邊界。環境艙頂部的制冷機組風機出風口設置為速度入口邊界,制冷機組風機空氣出口設置為分離流出口邊界。環境艙的新風系統包括兩個邊界,其中位于風機附近地面新風入口設置為速度入口邊界,位于環境艙后側地面的新風系統出口設置為壓力出口邊界。環境艙體壁面及地面設置為固定壁面邊界條件。詳細的邊界條件參數見表1。

表1 數值模型的邊界條件

3 環境艙流場測試實驗

3.1 實驗方法

汽車環境艙流場測試項目主要包括試驗段風速變化、試驗段截面方向風速不均勻性、邊界層厚度、軸向靜壓梯度及動壓穩定性等。圖4為環境艙流場測試區域示意圖。實驗測點位置分布在環境艙試驗段不同區域,通過測量的氣流總壓和靜壓等參數,進而計算氣流的速度、邊界層厚度、軸向靜壓梯度和動壓穩定性系數等流場參數。流場測試范圍為環境艙試驗段正對風機的區域。所有測試項目均在無車狀態下進行。

圖4 環境艙流場測點示意圖

圖5為環境艙流場測試系統原理圖。在數據采集過程中,待實驗風速和溫度穩定后采樣,采樣時間為1 min,采樣頻率為每秒10個數據。為確保實驗數據的準確性,采用拉依達準則法剔除了異常的數據。圖5中,x軸代表氣流方向;y軸代表垂直于氣流的水平方向;z軸代表垂直于氣流的高度方向。

圖5 流場測試設備示意圖

3.2 測試儀器

圖6所示為測量風速的皮托管及支架,通過皮托管上的靜壓和總壓探孔測量氣流的靜壓和總壓,并根據下式計算風速:

圖6 皮托管及測試架

(1)

p0=pt-ps

式中,v為風速,m/s;p0為氣流的動壓,Pa;ρs為空氣密度,kg/m3;pt為氣流的總壓,Pa;ps為氣流的靜壓,Pa。

圖7所示為測量貼近環境艙試驗段地面高度方向上的氣流壓力、速度及邊界層厚度的邊界層耙。邊界層耙由60根沿豎直方向分布的總壓測量管組成,跨越高度為320 mm,在靠近地面的區域總壓管分布比較密集。在邊界層耙頂部距地面高度為360 mm的位置安裝了一個皮托管,用于測量自由來流的速度。

圖7 邊界層耙

4 結果分析

4.1 數值模擬與實驗對比

在環境艙流場數值模型中特殊位置處設置風速監測點,提取風速仿真值,通過對比相同位置處風速實驗值與仿真值之間的誤差,驗證環境艙流場數值模擬的可靠性。圖8a所示為實驗風速120 km/h,距離環境艙風機出口x=1 m、距離地面的高度z=0.17 m處,垂直于氣流方向不同測點的風速實驗值與仿真值的對比結果;圖8b所示為實驗風速120 km/h,距離環境艙風機出口x=1 m,正對風機中心垂直于地面高度方向上風速實驗值與仿真值的對比結果。由圖8可知,實驗測得的風速與數值仿真得到的風速基本一致,最大相對誤差為3.5%,表明環境艙數值模型具有較高的仿真精度。

(a)垂直于氣流水平方向

4.2 風速

環境艙試驗段的風速分布和風速均勻性對試驗段內的流場以及汽車熱平衡等性能實驗結果都有顯著的影響。圖9所示為環境艙試驗段正對風機中心,距地面高度z=0.17 m(位置1)和z=0.61 m(位置2)處,在設定實驗風速為80 km/h、120 km/h時不同測點的實測風速。由圖9可知,沿著氣流方向風速逐漸衰減,在測點位置2,從距離環境艙風機出口x=0.2 m到x=6.5 m的位置,在實驗風速分別為80 km/h和120 km/h兩種工況下實測風速分別衰減20.2%和28.5%。測點位置2比測點位置1衰減得更加明顯,實驗風速為120 km/h時比實驗風速為80 km/h時衰減得更加明顯。風速的衰減將導致進入汽車格柵、機艙以及汽車底部的冷卻風量減少,進而影響汽車的冷卻散熱能力和熱平衡性能。

圖9 風機中心方向風速的變化

圖10為實驗風速120 km/h時,距離環境艙風機出口x=1 m處,在-0.6 m

圖10 距離風機出口x=1 m截面的風速分布(km/h)

4.3 邊界層

空氣流經汽車和環境艙地面時,氣流受到黏性力的作用會形成邊界層。邊界層會降低近地面氣流的速度,如果邊界層很厚可能影響汽車底部的流場分布以及汽車在環境艙的實驗結果。邊界層厚度是評價邊界層效應的重要參數,是指從邊界層壁面開始,到沿著壁面切向的流動速度達到自由來流速度99%的位置垂直于壁面的高度。圖11為距離環境艙風機出口x=1 m處,環境溫度為25 ℃,實驗風速為80 km/h時,氣流速度沿垂直地面高度方向的變化曲線。由圖11可知,距地面高度約為135～145 mm處,氣流速度達到自由來流速度(約78.2 km/h)的99%,即邊界層的厚度約為140 mm。由于汽車環境艙內沒有安裝邊界層抽吸裝置,導致試驗段地面氣流的邊界層很厚。

圖11 近地面風速隨高度的變化

表2所示為正對主風機的汽車試驗段區域中不同位置和不同實驗風速下實測得到的氣流邊界層厚度。對于相同測點,邊界層的厚度隨著實驗風速的增大而減小;對于相同縱向位置,沿氣流方向邊界層厚度逐漸增大;越是遠離風機中心位置的邊界層厚度越大。對于環境艙內遠離風機出風口的區域,由于流場紊亂,幾乎測不到氣流的邊界層。當汽車在環境艙內進行低速工況實驗時,由于低風速工況下地面邊界層較厚,使得進入車底冷卻氣流的速度和流量均減小,會導致位于車底的排氣管等高溫部件的散熱變差。

表2 不同位置及實驗風速的邊界層厚度

4.4 軸向靜壓梯度

軸向靜壓系數和靜壓梯度是評估環境艙試驗段流場品質的重要參數之一。靜壓系數是表征環境艙內流場壓強變化的量綱一參數,軸向靜壓梯度會影響實驗汽車前端和尾部的壓力分布。靜壓系數和靜壓梯度越小,靜壓梯度平緩區域越大,表明試驗段可用長度越大,流場品質越高,對實驗結果的影響也越小[19]。

軸向靜壓系數和靜壓梯度的計算表達式分別如下:

(2)

(3)

式中,Cp為被測點沿風機出風口氣流方向(x方向)的靜壓系數;pxi為測點i的靜壓值,Pa;p∞為參考點的靜壓值,Pa;pto為參考點的總壓值,Pa;xi、xi+1分別為測點i和測點i+1到參考點的距離,m。

圖12所示為不同風速條件下軸向靜壓系數和靜壓梯度隨環境艙試驗段中心軸向位置的變化,可以看出,不同實驗風速下靜壓系數和靜壓梯度的變化趨勢相似,其中靜壓系數的變化范圍在-0.01～0.06之間。在距近風機出口較近的區域(x=0～2.5 m),軸向靜壓系數及梯度較小;在遠離風機的區域,軸向靜壓系數及梯度迅速增大。由于環境艙地面及周圍設施會影響空氣流動,環境艙內的各種干擾效應會造成氣流在試驗段的有效流動橫截面積減小,壓力沿氣流方向逐漸降低,引起試驗段內的靜壓在軸向上變化,從而導致環境艙的流場品質變差。

(a)軸向靜壓系數

4.5 動壓穩定性

環境艙試驗段的流場動壓穩定性是表征氣流速度不穩定性的重要參數指標,動壓穩定性采用動壓穩定性系數表征。動壓穩定性系數是指在規定的時間間隔(1 min)內,瞬時動壓最大值和最小值的差與其和的比值,即

(4)

式中,η為動壓穩定性系數;pmax為最大動壓,Pa;pmin為最小動壓,Pa。

圖13所示為環境艙測點位置(x=2 m,y=0,z=0.353 m)上,動壓穩定性系數隨實驗風速的變化。由圖13可知,環境艙試驗段內的動壓穩定性系數非常大,參照汽車環境風洞試驗段內動壓穩定性系數設計要求(η≤0.3%),環境艙的動壓穩定性系數比環境風洞的動壓穩定性系數大了近100倍,表明氣流速度的穩定性很差。此外,動壓穩定性系數隨風速的增大而逐漸減小,表明在高風速工況下試驗段內氣流速度的穩定性更好。

圖13 動壓穩定性系數隨風速的變化

4.6 環境艙流場分布

圖14為120 km/h模擬風速條件下,整個環境艙內氣流的速度仿真云圖。由速度云圖可見,氣流從風機流出后呈現發散射流狀態;由于氣流的沿程阻力損失以及實驗室艙體的阻擋,氣流從風機出風口流出后速度呈現逐漸減小的趨勢;沿氣流方向速度截面逐漸變窄,高風速范圍逐漸縮小;沿氣流方向(x方向)和垂直于地面高度方向(z方向)上氣流的速度梯度隨著遠離風機出口而逐漸增大;試驗段流場具有明顯的邊界層,邊界層的厚度沿著氣流方向不斷增大。

(a)y=0截面的速度云圖

圖15為模擬風速120 km/h時,數值仿真得到的環境艙內氣流的跡線圖。氣流跡線圖直觀地顯示了環境艙內部氣流的流動方向和路線,在主風機、制冷風機和環境艙新風系統的共同驅動下空氣在環境艙內循環流動,整個環境艙內的流場非常紊亂。主風機出口氣流沿試驗段流動,并與艙體墻壁碰撞后沿環境艙頂部向制冷機組和主風機入口流動。來自頂部制冷機組的冷卻空氣與附近的環境艙墻壁碰撞,然后與地板碰撞后流入主風機入口,環境艙兩端靠近墻壁的氣流呈現彎曲流動軌跡。由于主風機功率的限制,風機出風口尺寸和環境艙空間小,以及試驗附屬設施多、地面邊界層較厚等因素的影響,降低了試驗段氣流的速度,導致整個環境艙的流場品質較差。

圖15 環境艙氣流跡線圖

圖16所示為主風機周圍氣流的流動方向和路線仿真結果。圖16a中圓圈標注的區域為環境艙的一個新風口,可以看到氣流從該新風口流出。由風機周圍氣流的流線圖可見,主風機周圍的流場紊亂,部分回流的空氣未進入主風機入口,被風機前端的上凹面反彈后匯入主風機出口氣流,這部分低速回流氣流與風機出口上沿的高速流出氣流相遇,導致靠近風機出風口上沿的氣流速度降低。風機周圍的流場數值仿真結果揭示了圖10(風機出口截面的風速分布圖)所示的風機出風口上部區域風速較低的原因。

(a)主風機周圍跡線圖1

4.7 環境艙流場優化

車輛在環境艙內實驗時,車輛的前端進氣格柵距風機出風口約x=1～2 m,由于環境艙流場品質較差,進入進氣格柵、散熱器、機艙及車底的冷卻風量會明顯小于汽車在實際道路上行駛時的進風量,進而會影響汽車冷卻和空調系統的各項性能,最終導致汽車熱平衡性能實驗結果失真。除了環境艙的結構和空間尺寸外,影響其流場品質的主要因素是驅動冷卻空氣循環的主風機。以主風機為主要優化對象,通過調整主風機的安裝高度以及增大風機的出風口尺寸,對環境艙的流場進行了仿真優化分析。

圖17為主風機的出風口尺寸不變,分別將主風機的安裝高度降低0.075 m(出風口下沿緊貼地面)和提高0.075 m后,模擬風速120 km/h時y=0截面的速度仿真云圖。由圖17a(方案一)可見,當主風機的安裝位置緊貼地面后,貼近地面的氣流速度增大,邊界層厚度明顯減小,會促進汽車底部的冷卻效果。但是,降低風機安裝高度會使試驗段內有效的風速范圍整體下移,進而影響汽車上部進氣格柵的進風量,對汽車散熱器和機艙散熱造成不利影響。由圖17b(方案二)可見,當主風機的安裝高度增大后,貼近地面的氣流速度明顯降低,邊界層厚度顯著增大。上述兩種方案各有利弊,對優化環境艙的流場效果有限。一般風機的安裝高度需要根據汽車進氣格柵開口的位置高度而定,應兼顧汽車前端冷卻模塊和底部的冷卻進風量。

(a)風機位置下降75 mm時y=0截面的速度云圖

第三種優化方案是保持主風機的安裝高度不變,將出風口的高度增大0.5 m,即出風口尺寸從1.5 m×0.7 m調整為1.5 m×1.2 m。圖18所示為仿真得到的流場分布。對比圖14和圖18可見,主風機的出風口尺寸增大后,環境艙內的流場品質得到了一定的改善。在正對風機出風口的試驗段內,在垂直地面高度方向和垂直氣流方向上,方案三均比其他方案的風速分布更加均勻。增大風機出風口的尺寸后,環境艙能夠兼顧大部分乘用車前端冷卻模塊和車輛底部的冷卻進風需求。

(a)y=0截面的速度云圖

5 結論

(1)環境艙的流場測試結果表明環境艙內流場品質較差,主風機出風口的風速分布不均勻,風速沿氣流方向衰減明顯,試驗段內流場的靜壓在軸向上變化,動壓穩定性較差,試驗段地面氣流的邊界層很厚,這些因素將對汽車在環境艙內的冷卻與散熱性能產生不利影響,導致汽車熱平衡性能實驗結果失真。

(2)基于實際的汽車環境艙結構、尺寸和組成部件建立的環境艙數值模型對環境艙在無車狀態下的流場具有較高的仿真精度,風速仿真結果與實驗結果的相對誤差小于3.5%。流場數值模擬結果表明環境艙的流場品質較差,整個環境艙內部流場非常紊亂。環境艙流場仿真云圖和氣流跡線圖揭示了影響環境艙內部氣流速度分布、氣流流動方向和路線以及流場分布的機理。

(3)對主風機的安裝位置和尺寸進行了局部調整,利用環境艙數值模型對主風機調整后的流場進行了仿真分析,結果表明調整主風機安裝高度可以減小或增大地面氣流邊界層的厚度,并且有效風速區域整體下移或上移,會影響汽車前端冷卻模塊和底部的進風量;增大風機出風口的尺寸可以改善環境艙的流場品質。但是,這些改進措施對提高環境艙的流場品質作用有限。