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⁺, 鉴于Realizable k-epsilon模型能够较为准确地捕捉流动分离及预测车身外部气动阻力^[12], 因此将其作为本文所使用的湍流模型。散热器、冷凝器使用多孔介质模型, 其黏性阻力系数和惯性阻力系数通过单体测试数据拟合得到。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 车型参数 Table 1 Model parameters 长× 宽× 高/mm3 4521× 1788× 1492 轴距/mm 2650 迎风面积/m2 2.26

表1 车型参数 Table 1 Model parameters

图1

Fig.1

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	图1 冷却模块、发动机舱及车身底部布置Fig.1 Cooling module, underhood and underbody configuration

计算域参照同济大学环境风洞进行创建, 该风洞为3/4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1.7 m(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15 m。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, 本文采用单移动带型式, 图2为计算域的几何模型以及所采用的单移动带。

图2

Fig.2

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	图2 计算域模型及单移动带Fig.2 Simulation domain and single belt system

模型的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, 该网格类型在处理复杂的几何模型时具有较高的效率和鲁棒性, 近壁面使用Two-Layer All y⁺ Wall Treatment以减少对边界层网格尺寸的敏感性^[13]。具体各区域的网格尺寸参考表2进行设置, 并对发动机舱、车身底部等关键区域进行加密, 如图3所示, 最终划分的体网格数目约为2500万。所有算例皆采用稳态计算, 迭代5000步后残差降至10^-5数量级, 认为计算收敛。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 网格尺寸 Table 2 Mesh dimensions 车身前部 车身尾部 发动机舱 壁面边界层 车身表面 其他 5 mm 4 mm 5 mm 8 mm/8层 2 mm/2层

表2 网格尺寸 Table 2 Mesh dimensions

图3

Fig.3

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	图3 计算域及局部网格视图Fig.3 Domain and local mesh view

通过对比车辆前端总压来验证仿真模型, 在车头前端200 mm处安装总压排, 该总压排共布置28个1 mm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4所示。

图4

Fig.4

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	图4 车辆前端总压验证试验Fig.4 Total pressure verification test

试验风速为120 km/h, 风洞试验中, 来流速度是由位于喷口上方的皮托管进行调控, 通过在数值模型中相同位置处设置风速监测点, 从而保证试验与仿真具有相同的入口边界条件。图5为试验与仿真的结果对比, 可以看出在近地面处(H< 0.2 m), 试验测得的地面边界层比数值模拟得到的地面边界层相对较厚。而在核心射流区, 仿真所得的总压力分布与试验结果比较一致, 两者的平均误差在1.14%左右, 该误差主要是由试验过程中传感器等所产生的测量误差以及在建模过程中由于模型简化所引入的模型误差, 例如, 对冷却模块进行建模时所使用的多孔介质模型, 由于换热器在正常的使用过程中受到流体杂质、生锈等影响, 表面会存在一定的污垢, 造成空气在流经换热器后压降增加, 使得实际的多孔介质模型参数发生一定的变化^[14], 因此, 考虑到试验和仿真过程中引入的各类误差, 可认为该数值模型具有较高的模拟精度。

图5

Fig.5

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	图5 车辆前端总压的试验与仿真结果对比Fig.5 Comparison of total pressure between numerical simulation and test

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^[15]。

图6为120 km/h下发动机舱对称面上的速度分布云图。可以看出, 由于保险杠、冷却模块等部件的阻滞作用, 外部气流在由格栅进入发动机舱后速度迅速降低, 由下格栅进入的气流在到达冷却模块前时分成3个部分:一部分向下流经发动机护板后汇入车身底部的气流; 一部分直接由冷凝器底部流过; 还有一部分向上绕过保险杠并与从上格栅进入的气流汇合, 而这部分气流在绕过保险杠时流动发生加速, 对应冷却模块上端的区域压力降低, 使得通过冷却模块上端的气流流速相对较低。整体来看, 移动地面的引入并未改变发动机舱纵向截面的流场分布, 仅在冷凝器上部的流速有所增加。

图6

Fig.6

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	图6 风速120 km/h下发动机舱对称面速度云图Fig.6 Velocity distribution on longitudinal symmetry plane in underhood under 120 km/h

图7为120 km/h下散热器迎风面的速度云图, 相对于固定地面, 移动地面下的散热器迎风面速度分布存在较为明显的变化, 其中低速区域减小, 使得通过散热器的平均风速相对有所增加。

图7

Fig.7

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	图7 风速120 km/h下散热器迎风面速度云图Fig.7 Velocity distribution on windward surface of radiator under 120 km/h

通过散热器的空气流量是决定散热器换热性能的重要特征参数, 因而也是判定冷却系统试验精度的主要标准^[16]。表3给出了不同风速下通过散热器的空气质量流量, 可以看出, 通过散热器的空气质量流量随着迎风风速的增加而增加, 且相对固定地面工况, 移动地面工况下通过散热器的空气质量流量在各风速下均有不同程度的提升, 约为1.2%左右, 其中100 km/h下增幅最大, 为1.63%。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 散热器进气流量 Table 3 Cooling mass airflow through radiator kg/s 来流风速/(km· h-1) 40 60 80 100 120 固定地面 0.2404 0.4227 0.6313 0.8286 1.0351 移动地面 0.2427 0.4275 0.6393 0.8421 1.0479 增幅/% 0.96 1.14 1.27 1.63 1.24

表3 散热器进气流量 Table 3 Cooling mass airflow through radiator kg/s

为分析移动地面对车身底部流场的影响, 提取120 km/h下车身底部对称面上三处不同位置上(A、B和C)的速度分布, 如图8所示, A处对应车辆前端驻点位置, B处对应发动机护板后沿位置, C处对应发动机舱防火墙位置。由图8可以看出, 在近地面处(H< 0.05 m), 移动地面工况下的速度整体有所提升, 且地面边界层的厚度相对减小; 对应H> 0.05 m时, A和B处的速度并未有显著变化, 而对应C处, 移动地面工况下的速度有所提升, 原因在于一部分由格栅进入的冷却气流会绕过发动机并由C处流入车身底部, 在移动地面工况下, 进入发动机舱的冷却气流增加, 使得C处的气流流速增大。

图8

Fig.8

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	图8 风速120 km/h下车身底部中截面速度分布Fig.8 Velocity profile on underbody under 120 km/h

提取发动机舱冷却气流出口截面上的压力分布进行分析, 如图9所示, 在移动地面和固定地面工况下, 该截面上的压力分布并未有较明显的变化, 不同的是移动地面工况下冷却气流出口截面的整体平均压力有所降低, 由于车辆前端压力保持不变, 冷却气流的进出口压差增大, 从而使通过冷却模块的空气质量流量增大。

发动机舱冷却气流出口压力下降的原因在于移动地面的引入, 使得地面边界层的厚度减小, 流过车身底部的空气流速整体有所提升, 从而使该处的静压下降。表4给出了不同风速下冷却气流出口截面上的静压平均值, 可以看出, 移动地面工况下该截面上的静压值发生下降, 且随着风速的增加静压降幅逐渐增大, 但对比表3和表4可以看出, 静压降幅的增加并没有对通过散热器的空气质量流量产生明显的影响。

图9

Fig.9

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	图9 风速120 km/h下车身底部冷却气流 出口静压分布Fig.9 Static pressure distribution on cooling air outlet under 120 km/h

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 冷却气流出口截面静压平均值 Table 4 Averaged static pressure on cooling air outlet Pa 来流风速/(km· h-1) 40 60 80 100 120 固定地面 0.2736 -1.2789 -2.1977 -4.8442 -4.5197 移动地面 -0.4896 -2.0819 -4.6944 -9.4873 -16.9762 差值 0.784 0.803 2.4967 4.6431 12.4565

表4 冷却气流出口截面静压平均值 Table 4 Averaged static pressure on cooling air outlet Pa