地面模拟对环境风洞中车辆冷却系统试验的影响研究.docx

地面模拟对环境风洞中车辆冷却系统试验的影响 摘要： 针对目前环境风洞普遍缺少地面模拟的情况，通过数值模拟技术，建立1:1环境风洞模型及整车模型，对比分析了移动地面对车辆冷却系统环境风洞试验的影响。结果表明：环境风洞在引入地面模拟后，车身底部的流场分布发生变化，主要表现在附面边界层的厚度减少，通过车身底部的空气流速增大，由此降低了发动机舱冷却气流出口的压力，使得通过散热器的冷却空气质量流量增加1.2%左右。 关键词： 地面模拟；环境风洞；冷却系统；数值模拟 0 引言 车辆在路面行驶过程中，空气与地面不存在相对运动，气流在路面上没有边界层，为了在风洞试验中正确模拟移动地面，目前在气动声学风洞中逐渐普及了地面模拟系统[1,2]，应用较为广泛的是五带地面模拟系统[3,4]。早期Hucho[5]曾指出在对车辆冷却系统进行风洞试验研究时，只需精确模拟车辆前端的外部流场即可，但是随着对冷却系统需求的不断提升，需要考虑移动地面以及轮胎转动。目前环境风洞中所装备的皆为两轴式四轮转鼓，能够模拟车轮转动[6]，而普遍缺少对移动地面的模拟。由于在乘用车中，流经冷却模块的气流一般由发动机舱底部流出，因而车身底部流场的变化势必会对冷却系统试验的结果造成影响，文献[7,8]通过对比地面模拟对车身外部流场的影响，发现由于地面边界层的存在，使得车辆前端驻点位置发生变化，由此改变了冷却模块前方的流场分布，同时发现通过车身底部的空气质量流量减少，进而影响到通过散热器的冷却空气流量，但文中并未对此影响给出具体的量化结果。 目前关于地面模拟对车辆气动试验的影响研究较多[9-11]，而关于移动地面对环境风洞中冷却系统试验的影响研究较少，故本文基于数值仿真技术研究移动地面对冷却系统风洞试验的影响。 数值方法及设置 1.1 数值模型 本文所采用的数值模型为某三厢乘用车，车型参数如表1所示，该模型为1:1整车模型，且基本保留了所有的实车细节，忽略发动机舱中对流场影响较小的组件，如输电线、螺栓等，图1所示为该车的冷却模块、发动机舱以及车身底部视图。数值计算选择基于有限体积法的商业软件STAR-CCM+，湍流模型选择Realizable k-epsilon模型，近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment，散热器、冷凝器使用多孔介质模型，其粘性阻力系数和惯性阻力系数通过单体测试数据拟合得到。 图1冷却模块、发动机舱及车身底部布置 图2 计算域模型及单移动带 计算域参照同济大学环境风洞进行创建，该风洞为开口式风洞，包括收缩段、喷口、试验段、驻室、收集口以及扩散段，车辆前端距离喷口为1.7m（参照实车试验布置），为避免出口边界出现回流，进而影响计算稳定性，需要对扩散段进行延长，文中扩散段取15m。入口边界设为质量流量入口，出口边界设为分散流出口，壁面边界条件取为固定壁面，由于车辆在环境风洞试验过程中是在转鼓上运行，因此需要在模型中设置车轮旋转。为模拟移动地面，本文采用单移动带形式，图2所示为计算域的几何模型以及所采用的单移动带。 面网格划分采用三角形网格，体网格划分采用以六面体为核心的剪裁体网格，并对发动机舱、车身底部等关键区域进行加密，最终划分的体网格数目约为2500万。 表1车型参数 长×宽×高（mm） 4521×1788×1492 轴距（mm） 2650 迎风面积（m2） 2.26 1.2 模型验证 通过对比车辆前端总压来验证仿真模型，在车头前端200mm处安装总压排，该总压排共布置28个1mm总压管，验证试验在同济大学地面交通工具风洞中心的环境风洞中进行，如图3所示，试验风速为120km/h，图4所示为试验与仿真的结果对比，可以看出仿真所得的总压分布趋势与试验结果比较一致，两者的平均误差在7%左右，考虑到测量设备的误差，可认为该模型具有较高的模拟精度。 图3 车辆前端总压验证试验 图4 车辆前端总压的试验与仿真结果对比 结果分析 为分析移动地面对冷却系统的影响，本文计算了在移动地面（Moving Ground）和固定地面（Solid Ground）工况下不同来流风速下整车的流场分布。 冷却模块空气侧流场分布 车辆运行过程中，发动机所产生的热量是由冷却液带至散热器，并在此通过热交换散发到外部空气中，因此冷却模块空气侧的流场分布决定了其换热性能。图5所示为120km/h下发动机舱对称面上的速度分布云图，整体来看，移动地面的使用并未改变发动机舱的流场分布，仅在冷凝器上部的流速有所降低。 Moving Ground Moving Ground Solid Ground 图5 120km/h发动机舱对称面速度云图 图6所示为120km/h下散热器冷凝器迎风面的速