地面模擬對環境風洞中車輛冷卻系統試驗的影響摘要：針對目前環境風洞普遍缺少地面模擬的情況，通過數值模擬技術，建立1:1環境風洞模型及整車模型，對比分析了移動地面對車輛冷卻系統環境風洞試驗的影響。結果表明：環境風洞在引入地面模擬后，車身底部的流場分布發生變化，主要表現在附面邊界層的厚度減少，通過車身底部的空氣流速增大，由此降低了發動機艙冷卻氣流出口的壓力，使得通過散熱器的冷卻空氣質量流量增加1.2%左右。關鍵詞：地面模擬；環境風洞；冷卻系統；數值模擬0引言車輛在路面行駛過程中，空氣與地面不存在相對運動，氣流在路面上沒有邊界層，為了在風洞試驗中正確模擬移動地面，目前在氣動聲學風洞中逐漸普及了地面模擬系統[1,2]，應用較為廣泛的是五帶地面模擬系統[3,4]。早期Hucho[5]曾指出在對車輛冷卻系統進行風洞試驗研究時，只需精確模擬車輛前端的外部流場即可，但是隨著對冷卻系統需求的不斷提升，需要考慮移動地面以及輪胎轉動。目前環境風洞中所裝備的皆為兩軸式四輪轉鼓，能夠模擬車輪轉動[6]，而普遍缺少對移動地面的模擬。由于在乘用車中，流經冷卻模塊的氣流一般由發動機艙底部流出，因而車身底部流場的變化勢必會對冷卻系統試驗的結果造成影響，文獻[7,8]通過對比地面模擬對車身外部流場的影響，發現由于地面邊界層的存在，使得車輛前端駐點位置發生變化，由此改變了冷卻模塊前方的流場分布，同時發現通過車身底部的空氣質量流量減少，進而影響到通過散熱器的冷卻空氣流量，但文中并未對此影響給出具體的量化結果。目前關于地面模擬對車輛氣動試驗的影響研究較多[9-11]，而關于移動地面對環境風洞中冷卻系統試驗的影響研究較少，故本文基于數值仿真技術研究移動地面對冷卻系統風洞試驗的影響。數值方法及設置1.1數值模型本文所采用的數值模型為某三廂乘用車，車型參數如表1所示，該模型為1:1整車模型，且基本保留了所有的實車細節，忽略發動機艙中對流場影響較小的組件，如輸電線、螺栓等，圖1所示為該車的冷卻模塊、發動機艙以及車身底部視圖。數值計算選擇基于有限體積法的商業軟件STAR-CCM+，湍流模型選擇Realizablek-epsilon模型，近壁面使用Two-LayerAlly+WallTreatment，散熱器、冷凝器使用多孔介質模型，其粘性阻力系數和慣性阻力系數通過單體測試數據擬合得到。圖1冷卻模塊、發動機艙及車身底部布置圖2計算域模型及單移動帶計算域參照同濟大學環境風洞進行創建，該風洞為開口式風洞，包括收縮段、噴口、試驗段、駐室、收集口以及擴散段，車輛前端距離噴口為1.7m（參照實車試驗布置），為避免出口邊界出現回流，進而影響計算穩定性，需要對擴散段進行延長，文中擴散段取15m。入口邊界設為質量流量入口，出口邊界設為分散流出口，壁面邊界條件取為固定壁面，由于車輛在環境風洞試驗過程中是在轉鼓上運行，因此需要在模型中設置車輪旋轉。為模擬移動地面，本文采用單移動帶形式，圖2所示為計算域的幾何模型以及所采用的單移動帶。面網格劃分采用三角形網格，體網格劃分采用以六面體為核心的剪裁體網格，并對發動機艙、車身底部等關鍵區域進行加密，最終劃分的體網格數目約為2500萬。表1車型參數長×寬×高（mm）4521×1788×1492軸距（mm）2650迎風面積（m2）2.261.2模型驗證通過對比車輛前端總壓來驗證仿真模型，在車頭前端200mm處安裝總壓排，該總壓排共布置28個1mm總壓管，驗證試驗在同濟大學地面交通工具風洞中心的環境風洞中進行，如圖3所示，試驗風速為120km/h，圖4所示為試驗與仿真的結果對比，可以看出仿真所得的總壓分布趨勢與試驗結果比較一致，兩者的平均誤差在7%左右，考慮到測量設備的誤差，可認為該模型具有較高的模擬精度。圖3車輛前端總壓驗證試驗圖4車輛前端總壓的試驗與仿真結果對比結果分析為分析移動地面對冷卻系統的影響，本文計算了在移動地面（MovingGround）和固定地面（SolidGround）工況下不同來流風速下整車的流場分布。冷卻模塊空氣側流場分布車輛運行過程中，發動機所產生的熱量是由冷卻液帶至散熱器，并在此通過熱交換散發到外部空氣中，因此冷卻模塊空氣側的流場分布決定了其換熱性能。圖5所示為120km/h下發動機艙對稱面上的速度分布云圖，整體來看，移動地面的使用并未改變發動機艙的流場分布，僅在冷凝器上部的流速有所降低。MovingGroundMovingGroundSolidGround圖5120km/h發動機艙對稱面速度云圖圖6所示為120km/h下散熱器冷凝器迎風面的速度云圖，相對于固定地面工況，移動地面下的散熱器迎風面速度分布存在較為明顯的變化，其低速區域減小，通過散熱器的冷卻空氣風速整體有所提升。MovingGroundMovingGroundSolidGround圖6120km/h散熱器迎風面速度云圖散熱器進氣流量對比通過散熱器的空氣流量是決定散熱器換熱性能的重要特征參數，因而也是判定冷卻系統試驗精度的主要標準。表2給出了不同風速下通過散熱器的空氣質量流量，可以看出，散熱器的進氣流量隨著迎風風速的增加而增加，且相對固定地面工況，移動地面工況下通過散熱器的空氣質量流量在各風速下均有不同程度的提升，約為1.2%左右，其中100km/h下增幅最大，為1.63%。表2散熱器進氣流量（Kg/s）來流風速40km/h60km/h80km/h100km/h120km/h固定地面0.24040.42270.63130.82861.0351移動地面0.24270.42750.63930.84211.0479誤差0.96%1.14%1.27%1.63%1.24%車身底部速度輪廓AABCACB圖7120km/h車身底部中截面速度輪廓為分析移動地面對車身底部流場的影響，提取120km/h下車身底部對稱面上三處不同位置上（A、B和C）的速度輪廓，如圖7所示，A處對應車輛前端駐點位置，B處對應發動機護板后沿位置，C處對應發動機艙防火墻位置。由圖可以看出，在近地面處（H<0.05m），移動地面工況下的速度整體有所提升，且附面邊界層的厚度相對減小；對應H>0.05m時，A和B處的速度并未有顯著變化，而對應C處，移動地面工況下的速度有明顯的提升。發動機艙出口壓力分布提取發動機艙冷卻氣流出口截面上的壓力分布進行分析，如圖8所示，在移動地面和固定地面工況下，該截面上的壓力分布并未有較明顯的變化，不同的是移動地面工況下冷卻氣流出口截面的整體平均壓力有所降低，由于車輛前端壓力保持不變，冷卻氣流的進出口壓差增大，從而使通過冷卻模塊的空氣質量流量增大。發動機艙冷卻氣流出口壓力下降的原因在于移動地面的引入，使得附面邊界層的厚度減小，流過車身底部的空氣流速整體有所提升，從而使該處的靜壓降低。表3給出了不通風速下冷卻氣流出口截面上的靜壓平均值，可以看出，移動地面工況下該截面上的靜壓值發生下降，且隨著風速的提升靜壓降幅逐漸增大，但對比表2可以看出，靜壓降幅的增加并沒有對通過散熱器的進氣流量產生顯著影響。MovingGroundMovingGroundSolidGround圖8120km/h車身底部冷卻氣流出口靜壓分布表3冷卻氣流出口截面靜壓平均值（Pa）來流風速40km/h60km/h80km/h100km/h120km/h固定地面0.2736-1.2789-2.1977-4.8442-4.5197移動地面-0.4896-2.0819-4.6944-9.4873-16.9762差值0.7840.8032.49674.643112.4565結論與展望目前環境風洞普遍缺少對移動地面的模擬，本文基于數值模擬技術，對比分析了車輛在移動地面和固定地面工況下前端的流場分布。結果表明：環境風洞在引入地面模擬后，發動機艙流場分布變化不大，散熱器迎風面上的速度整體有所增加；通過散熱器的空氣質量流量增加1.2%左右，原因是由于在移動地面工況下，附面邊界層的厚度減少，使得通過車身底部的空氣流速增大，特別是對應冷卻氣流出