汽車(chē)環(huán)境艙流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

許 翔 張藝倫 梅 錚 李 建 王 丹 牟連

嵩中汽研(天津)汽車(chē)工程研究院有限公司風(fēng)洞中心,天津,300300

0 引言

汽車(chē)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)是汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中必不可少的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞和環(huán)境艙是兩種應(yīng)用最廣泛的汽車(chē)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。相對(duì)于環(huán)境艙,環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)的流場(chǎng)設(shè)計(jì),其流場(chǎng)品質(zhì)更接近于實(shí)際道路環(huán)境條件,模擬環(huán)境條件更多樣化[1]。但由于環(huán)境風(fēng)洞設(shè)計(jì)復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)、建造和實(shí)驗(yàn)成本非常高,制約了環(huán)境風(fēng)洞的推廣使用。目前,我國(guó)汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞數(shù)量有限,而環(huán)境艙實(shí)驗(yàn)資源眾多,各大汽車(chē)企業(yè)主要將環(huán)境艙作為汽車(chē)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的首選。環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)特性對(duì)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響[2],深入了解汽車(chē)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)特性對(duì)實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)分析以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估與修正等都有一定的參考價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬是研究汽車(chē)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)特性的主要方法,兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試具有更高的直觀性和實(shí)用性,但不能獲得整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)分布以及氣流流動(dòng)路線;數(shù)值模擬擁有更好的可重復(fù)性和三維顯示效果,可以全面地研究整個(gè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的流場(chǎng)細(xì)節(jié),并探究實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)分布規(guī)律以及影響流場(chǎng)品質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理,但其準(zhǔn)確性需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了深入了解汽車(chē)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)特性,進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)室的流場(chǎng)品質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法已開(kāi)展了相關(guān)研究,研究主要集中在汽車(chē)風(fēng)洞領(lǐng)域。文獻(xiàn)[3-11]采用CFD仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了汽車(chē)風(fēng)洞的噴口效應(yīng)、地面效應(yīng)、阻塞效應(yīng)、風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試方法等,分析了風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)、噴口面積、阻塞比、邊界層抽吸等對(duì)風(fēng)洞的流場(chǎng)特性以及汽車(chē)在風(fēng)洞內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[12]研究了汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)風(fēng)機(jī)的安裝高度對(duì)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛車(chē)底氣流速度和部件溫度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[13]研究了汽車(chē)熱環(huán)境風(fēng)洞的噴口效應(yīng)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[14]利用汽車(chē)環(huán)境艙的瞬態(tài)熱性能模型分析了汽車(chē)環(huán)境艙的熱動(dòng)力性能和能耗特性。

汽車(chē)環(huán)境艙相對(duì)于風(fēng)洞的尺寸和體積較小,環(huán)境艙風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口尺寸遠(yuǎn)小于汽車(chē)風(fēng)洞的噴口尺寸,也小于實(shí)驗(yàn)汽車(chē)的正投影面積,導(dǎo)致流場(chǎng)阻塞比大,汽車(chē)前端、車(chē)身周?chē)约拔膊康目諝饬鲌?chǎng)紊亂,使汽車(chē)格柵的進(jìn)風(fēng)量比汽車(chē)在環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或道路上行駛時(shí)的進(jìn)風(fēng)量少,進(jìn)而影響汽車(chē)的熱平衡和底盤(pán)熱防護(hù)等性能的評(píng)估。目前,有關(guān)汽車(chē)環(huán)境艙流場(chǎng)品質(zhì)的研究報(bào)道很少。本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)的流場(chǎng)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了無(wú)車(chē)條件下汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)的壓力、風(fēng)速、邊界層、軸向靜壓梯度和動(dòng)壓穩(wěn)定性等流場(chǎng)參數(shù)。基于環(huán)境艙的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸,建立了環(huán)境艙的流場(chǎng)數(shù)值模型,多角度、形象直觀地展示了汽車(chē)環(huán)境艙中氣流速度、壓力及氣流流動(dòng)軌跡等情況,分析了影響環(huán)境艙流場(chǎng)品質(zhì)的主要因素,針對(duì)環(huán)境艙主風(fēng)機(jī)的安裝高度和出風(fēng)口的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析。

1 汽車(chē)環(huán)境艙介紹

以某汽車(chē)環(huán)境艙為研究對(duì)象(圖1),環(huán)境艙主要由艙體、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、主風(fēng)機(jī)、陽(yáng)光模擬裝置和制冷機(jī)組等組成。環(huán)境艙的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為18 m×8 m×5.3 m。風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口尺寸為1.5 m×0.7 m,距地面的高度為0.075 m,風(fēng)速模擬范圍為0～170 km/h。主風(fēng)機(jī)為變頻軸流式風(fēng)機(jī),額定功率為132 kW,最大風(fēng)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(yáng)光模擬強(qiáng)度為500～1200 W/m2。

圖1 汽車(chē)環(huán)境艙示意圖

2 環(huán)境艙流場(chǎng)數(shù)值模型

2.1 模型概述

CFD數(shù)值模擬是研究汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)整體流場(chǎng)分布的理想方法。相比于實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值模擬為分析難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)或測(cè)量的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題提供了機(jī)會(huì),可以顯著地減少研究時(shí)間和成本。根據(jù)汽車(chē)環(huán)境艙的設(shè)計(jì)圖,結(jié)合環(huán)境艙精確測(cè)量,獲取了環(huán)境艙的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸以及主要組成部件的安裝位置等數(shù)據(jù)。對(duì)環(huán)境艙內(nèi)的主風(fēng)機(jī)、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、陽(yáng)光模擬裝置、制冷機(jī)組、汽車(chē)固定支架、安全防護(hù)網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)工況顯示屏、壁燈等實(shí)驗(yàn)設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行了1∶1的詳細(xì)CAD建模,構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸、空間布局和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景等與實(shí)際汽車(chē)環(huán)境艙相一致的CAD模型(圖2)。

圖2 汽車(chē)環(huán)境艙CAD模型

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格

如圖3a所示,將汽車(chē)環(huán)境艙整體作為數(shù)值仿真的計(jì)算域。在計(jì)算域內(nèi)生成三角形面網(wǎng)格,面網(wǎng)格總數(shù)為622萬(wàn)個(gè)。體網(wǎng)格的類(lèi)型為以六面體為核心的剪裁體網(wǎng)格,為了準(zhǔn)確地模擬近壁面處邊界層,在壁面生成了2層邊界層網(wǎng)格,第一層邊界層網(wǎng)格的厚度為3 mm,增長(zhǎng)率為110%。為了提高環(huán)境艙內(nèi)復(fù)雜幾何表面或區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)的仿真精度,對(duì)主風(fēng)機(jī)、試驗(yàn)段地面、陽(yáng)光模擬裝置、測(cè)功機(jī)等局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。整個(gè)計(jì)算域內(nèi)體網(wǎng)格尺寸控制在1～100 mm之間,生成的體網(wǎng)格數(shù)量為1623萬(wàn)個(gè)。圖3b為計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格視圖。

(a)環(huán)境艙數(shù)值計(jì)算域

2.3 湍流模型及邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用商用軟件Star CCM+,假定環(huán)境艙內(nèi)的空氣流動(dòng)類(lèi)型為不可壓縮流動(dòng)。由于Realizablek-ε湍流模型能準(zhǔn)確地捕捉分離流動(dòng)以及對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的廣泛適應(yīng)性[15-16],因此將其作為本研究的湍流模型?？臻g離散采用二階迎風(fēng)格式,將計(jì)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(duì)邊界層網(wǎng)格尺寸的敏感性,將y+值設(shè)置在5～100的范圍內(nèi)。

汽車(chē)環(huán)境艙流場(chǎng)仿真邊界條件主要包括環(huán)境艙體與外界的換熱以及艙內(nèi)空氣的流動(dòng)邊界條件等。由于環(huán)境艙內(nèi)溫度與外界環(huán)境的溫差很小,故可忽略艙體與外部環(huán)境的換熱,將環(huán)境艙體表面設(shè)置為絕熱邊界條件。環(huán)境艙內(nèi)空氣的流入與流出邊界主要包括模擬實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的主風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)組的風(fēng)機(jī)、環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)以及汽車(chē)尾氣排氣管等。在無(wú)車(chē)狀態(tài)下環(huán)境艙內(nèi)汽車(chē)尾氣排氣管處于關(guān)閉狀態(tài)。主風(fēng)機(jī)和制冷風(fēng)機(jī)分別設(shè)置兩個(gè)邊界條件,其中主風(fēng)機(jī)前側(cè)出風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界,主風(fēng)機(jī)后側(cè)空氣出口設(shè)置為分離流出口邊界。環(huán)境艙頂部的制冷機(jī)組風(fēng)機(jī)出風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界,制冷機(jī)組風(fēng)機(jī)空氣出口設(shè)置為分離流出口邊界。環(huán)境艙的新風(fēng)系統(tǒng)包括兩個(gè)邊界,其中位于風(fēng)機(jī)附近地面新風(fēng)入口設(shè)置為速度入口邊界,位于環(huán)境艙后側(cè)地面的新風(fēng)系統(tǒng)出口設(shè)置為壓力出口邊界。環(huán)境艙體壁面及地面設(shè)置為固定壁面邊界條件。詳細(xì)的邊界條件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模型的邊界條件

3 環(huán)境艙流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

汽車(chē)環(huán)境艙流場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目主要包括試驗(yàn)段風(fēng)速變化、試驗(yàn)段截面方向風(fēng)速不均勻性、邊界層厚度、軸向靜壓梯度及動(dòng)壓穩(wěn)定性等。圖4為環(huán)境艙流場(chǎng)測(cè)試區(qū)域示意圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置分布在環(huán)境艙試驗(yàn)段不同區(qū)域,通過(guò)測(cè)量的氣流總壓和靜壓等參數(shù),進(jìn)而計(jì)算氣流的速度、邊界層厚度、軸向靜壓梯度和動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)等流場(chǎng)參數(shù)。流場(chǎng)測(cè)試范圍為環(huán)境艙試驗(yàn)段正對(duì)風(fēng)機(jī)的區(qū)域。所有測(cè)試項(xiàng)目均在無(wú)車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行。

圖4 環(huán)境艙流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖5為環(huán)境艙流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,待實(shí)驗(yàn)風(fēng)速和溫度穩(wěn)定后采樣,采樣時(shí)間為1 min,采樣頻率為每秒10個(gè)數(shù)據(jù)。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法剔除了異常的數(shù)據(jù)。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(chǎng)測(cè)試設(shè)備示意圖

3.2 測(cè)試儀器

圖6所示為測(cè)量風(fēng)速的皮托管及支架,通過(guò)皮托管上的靜壓和總壓探孔測(cè)量氣流的靜壓和總壓,并根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)速:

圖6 皮托管及測(cè)試架

(1)

p0=pt-ps

式中,v為風(fēng)速,m/s;p0為氣流的動(dòng)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(cè)量貼近環(huán)境艙試驗(yàn)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(cè)量管組成,跨越高度為320 mm,在靠近地面的區(qū)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(gè)皮托管,用于測(cè)量自由來(lái)流的速度。

圖7 邊界層耙

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在環(huán)境艙流場(chǎng)數(shù)值模型中特殊位置處設(shè)置風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn),提取風(fēng)速仿真值,通過(guò)對(duì)比相同位置處風(fēng)速實(shí)驗(yàn)值與仿真值之間的誤差,驗(yàn)證環(huán)境艙流場(chǎng)數(shù)值模擬的可靠性。圖8a所示為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速120 km/h,距離環(huán)境艙風(fēng)機(jī)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(cè)點(diǎn)的風(fēng)速實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比結(jié)果;圖8b所示為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速120 km/h,距離環(huán)境艙風(fēng)機(jī)出口x=1 m,正對(duì)風(fēng)機(jī)中心垂直于地面高度方向上風(fēng)速實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比結(jié)果。由圖8可知,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速與數(shù)值仿真得到的風(fēng)速基本一致,最大相對(duì)誤差為3.5%,表明環(huán)境艙數(shù)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(fēng)速

環(huán)境艙試驗(yàn)段的風(fēng)速分布和風(fēng)速均勻性對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)的流場(chǎng)以及汽車(chē)熱平衡等性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有顯著的影響。圖9所示為環(huán)境艙試驗(yàn)段正對(duì)風(fēng)機(jī)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(shè)定實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為80 km/h、120 km/h時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速。由圖9可知,沿著氣流方向風(fēng)速逐漸衰減,在測(cè)點(diǎn)位置2,從距離環(huán)境艙風(fēng)機(jī)出口x=0.2 m到x=6.5 m的位置,在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速分別為80 km/h和120 km/h兩種工況下實(shí)測(cè)風(fēng)速分別衰減20.2%和28.5%。測(cè)點(diǎn)位置2比測(cè)點(diǎn)位置1衰減得更加明顯,實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為120 km/h時(shí)比實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為80 km/h時(shí)衰減得更加明顯。風(fēng)速的衰減將導(dǎo)致進(jìn)入汽車(chē)格柵、機(jī)艙以及汽車(chē)底部的冷卻風(fēng)量減少,進(jìn)而影響汽車(chē)的冷卻散熱能力和熱平衡性能。

圖9 風(fēng)機(jī)中心方向風(fēng)速的變化

圖10為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速120 km/h時(shí),距離環(huán)境艙風(fēng)機(jī)出口x=1 m處,在-0.6 m

圖10 距離風(fēng)機(jī)出口x=1 m截面的風(fēng)速分布(km/h)

4.3 邊界層

空氣流經(jīng)汽車(chē)和環(huán)境艙地面時(shí),氣流受到黏性力的作用會(huì)形成邊界層。邊界層會(huì)降低近地面氣流的速度,如果邊界層很厚可能影響汽車(chē)底部的流場(chǎng)分布以及汽車(chē)在環(huán)境艙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。邊界層厚度是評(píng)價(jià)邊界層效應(yīng)的重要參數(shù),是指從邊界層壁面開(kāi)始,到沿著壁面切向的流動(dòng)速度達(dá)到自由來(lái)流速度99%的位置垂直于壁面的高度。圖11為距離環(huán)境艙風(fēng)機(jī)出口x=1 m處,環(huán)境溫度為25 ℃,實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為80 km/h時(shí),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(dá)到自由來(lái)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(chē)環(huán)境艙內(nèi)沒(méi)有安裝邊界層抽吸裝置,導(dǎo)致試驗(yàn)段地面氣流的邊界層很厚。

圖11 近地面風(fēng)速隨高度的變化

表2所示為正對(duì)主風(fēng)機(jī)的汽車(chē)試驗(yàn)段區(qū)域中不同位置和不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下實(shí)測(cè)得到的氣流邊界層厚度。對(duì)于相同測(cè)點(diǎn),邊界層的厚度隨著實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的增大而減小;對(duì)于相同縱向位置,沿氣流方向邊界層厚度逐漸增大;越是遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)中心位置的邊界層厚度越大。對(duì)于環(huán)境艙內(nèi)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的區(qū)域,由于流場(chǎng)紊亂,幾乎測(cè)不到氣流的邊界層。當(dāng)汽車(chē)在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行低速工況實(shí)驗(yàn)時(shí),由于低風(fēng)速工況下地面邊界層較厚,使得進(jìn)入車(chē)底冷卻氣流的速度和流量均減小,會(huì)導(dǎo)致位于車(chē)底的排氣管等高溫部件的散熱變差。

表2 不同位置及實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的邊界層厚度

4.4 軸向靜壓梯度

軸向靜壓系數(shù)和靜壓梯度是評(píng)估環(huán)境艙試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的重要參數(shù)之一。靜壓系數(shù)是表征環(huán)境艙內(nèi)流場(chǎng)壓強(qiáng)變化的量綱一參數(shù),軸向靜壓梯度會(huì)影響實(shí)驗(yàn)汽車(chē)前端和尾部的壓力分布。靜壓系數(shù)和靜壓梯度越小,靜壓梯度平緩區(qū)域越大,表明試驗(yàn)段可用長(zhǎng)度越大,流場(chǎng)品質(zhì)越高,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也越小[19]。

軸向靜壓系數(shù)和靜壓梯度的計(jì)算表達(dá)式分別如下:

(2)

(3)

式中,Cp為被測(cè)點(diǎn)沿風(fēng)機(jī)出風(fēng)口氣流方向(x方向)的靜壓系數(shù);pxi為測(cè)點(diǎn)i的靜壓值,Pa;p∞為參考點(diǎn)的靜壓值,Pa;pto為參考點(diǎn)的總壓值,Pa;xi、xi+1分別為測(cè)點(diǎn)i和測(cè)點(diǎn)i+1到參考點(diǎn)的距離,m。

圖12所示為不同風(fēng)速條件下軸向靜壓系數(shù)和靜壓梯度隨環(huán)境艙試驗(yàn)段中心軸向位置的變化,可以看出,不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下靜壓系數(shù)和靜壓梯度的變化趨勢(shì)相似,其中靜壓系數(shù)的變化范圍在-0.01～0.06之間。在距近風(fēng)機(jī)出口較近的區(qū)域(x=0～2.5 m),軸向靜壓系數(shù)及梯度較小;在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的區(qū)域,軸向靜壓系數(shù)及梯度迅速增大。由于環(huán)境艙地面及周?chē)O(shè)施會(huì)影響空氣流動(dòng),環(huán)境艙內(nèi)的各種干擾效應(yīng)會(huì)造成氣流在試驗(yàn)段的有效流動(dòng)橫截面積減小,壓力沿氣流方向逐漸降低,引起試驗(yàn)段內(nèi)的靜壓在軸向上變化,從而導(dǎo)致環(huán)境艙的流場(chǎng)品質(zhì)變差。

(a)軸向靜壓系數(shù)

4.5 動(dòng)壓穩(wěn)定性

環(huán)境艙試驗(yàn)段的流場(chǎng)動(dòng)壓穩(wěn)定性是表征氣流速度不穩(wěn)定性的重要參數(shù)指標(biāo),動(dòng)壓穩(wěn)定性采用動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)表征。動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)是指在規(guī)定的時(shí)間間隔(1 min)內(nèi),瞬時(shí)動(dòng)壓最大值和最小值的差與其和的比值,即

(4)

式中,η為動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù);pmax為最大動(dòng)壓,Pa;pmin為最小動(dòng)壓,Pa。

圖13所示為環(huán)境艙測(cè)點(diǎn)位置(x=2 m,y=0,z=0.353 m)上,動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)隨實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的變化。由圖13可知,環(huán)境艙試驗(yàn)段內(nèi)的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)非常大,參照汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)設(shè)計(jì)要求(η≤0.3%),環(huán)境艙的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)比環(huán)境風(fēng)洞的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)大了近100倍,表明氣流速度的穩(wěn)定性很差。此外,動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)隨風(fēng)速的增大而逐漸減小,表明在高風(fēng)速工況下試驗(yàn)段內(nèi)氣流速度的穩(wěn)定性更好。

圖13 動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)隨風(fēng)速的變化

4.6 環(huán)境艙流場(chǎng)分布

圖14為120 km/h模擬風(fēng)速條件下,整個(gè)環(huán)境艙內(nèi)氣流的速度仿真云圖。由速度云圖可見(jiàn),氣流從風(fēng)機(jī)流出后呈現(xiàn)發(fā)散射流狀態(tài);由于氣流的沿程阻力損失以及實(shí)驗(yàn)室艙體的阻擋,氣流從風(fēng)機(jī)出風(fēng)口流出后速度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì);沿氣流方向速度截面逐漸變窄,高風(fēng)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(yuǎn)離風(fēng)機(jī)出口而逐漸增大;試驗(yàn)段流場(chǎng)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(fēng)速120 km/h時(shí),數(shù)值仿真得到的環(huán)境艙內(nèi)氣流的跡線圖。氣流跡線圖直觀地顯示了環(huán)境艙內(nèi)部氣流的流動(dòng)方向和路線,在主風(fēng)機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)和環(huán)境艙新風(fēng)系統(tǒng)的共同驅(qū)動(dòng)下空氣在環(huán)境艙內(nèi)循環(huán)流動(dòng),整個(gè)環(huán)境艙內(nèi)的流場(chǎng)非常紊亂。主風(fēng)機(jī)出口氣流沿試驗(yàn)段流動(dòng),并與艙體墻壁碰撞后沿環(huán)境艙頂部向制冷機(jī)組和主風(fēng)機(jī)入口流動(dòng)。來(lái)自頂部制冷機(jī)組的冷卻空氣與附近的環(huán)境艙墻壁碰撞,然后與地板碰撞后流入主風(fēng)機(jī)入口,環(huán)境艙兩端靠近墻壁的氣流呈現(xiàn)彎曲流動(dòng)軌跡。由于主風(fēng)機(jī)功率的限制,風(fēng)機(jī)出風(fēng)口尺寸和環(huán)境艙空間小,以及試驗(yàn)附屬設(shè)施多、地面邊界層較厚等因素的影響,降低了試驗(yàn)段氣流的速度,導(dǎo)致整個(gè)環(huán)境艙的流場(chǎng)品質(zhì)較差。

圖15 環(huán)境艙氣流跡線圖

圖16所示為主風(fēng)機(jī)周?chē)鷼饬鞯牧鲃?dòng)方向和路線仿真結(jié)果。圖16a中圓圈標(biāo)注的區(qū)域?yàn)榄h(huán)境艙的一個(gè)新風(fēng)口,可以看到氣流從該新風(fēng)口流出。由風(fēng)機(jī)周?chē)鷼饬鞯牧骶€圖可見(jiàn),主風(fēng)機(jī)周?chē)牧鲌?chǎng)紊亂,部分回流的空氣未進(jìn)入主風(fēng)機(jī)入口,被風(fēng)機(jī)前端的上凹面反彈后匯入主風(fēng)機(jī)出口氣流,這部分低速回流氣流與風(fēng)機(jī)出口上沿的高速流出氣流相遇,導(dǎo)致靠近風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上沿的氣流速度降低。風(fēng)機(jī)周?chē)牧鲌?chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果揭示了圖10(風(fēng)機(jī)出口截面的風(fēng)速分布圖)所示的風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上部區(qū)域風(fēng)速較低的原因。

(a)主風(fēng)機(jī)周?chē)E線圖1

4.7 環(huán)境艙流場(chǎng)優(yōu)化

車(chē)輛在環(huán)境艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí),車(chē)輛的前端進(jìn)氣格柵距風(fēng)機(jī)出風(fēng)口約x=1～2 m,由于環(huán)境艙流場(chǎng)品質(zhì)較差,進(jìn)入進(jìn)氣格柵、散熱器、機(jī)艙及車(chē)底的冷卻風(fēng)量會(huì)明顯小于汽車(chē)在實(shí)際道路上行駛時(shí)的進(jìn)風(fēng)量,進(jìn)而會(huì)影響汽車(chē)?yán)鋮s和空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能,最終導(dǎo)致汽車(chē)熱平衡性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真。除了環(huán)境艙的結(jié)構(gòu)和空間尺寸外,影響其流場(chǎng)品質(zhì)的主要因素是驅(qū)動(dòng)冷卻空氣循環(huán)的主風(fēng)機(jī)。以主風(fēng)機(jī)為主要優(yōu)化對(duì)象,通過(guò)調(diào)整主風(fēng)機(jī)的安裝高度以及增大風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口尺寸,對(duì)環(huán)境艙的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。

圖17為主風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口尺寸不變,分別將主風(fēng)機(jī)的安裝高度降低0.075 m(出風(fēng)口下沿緊貼地面)和提高0.075 m后,模擬風(fēng)速120 km/h時(shí)y=0截面的速度仿真云圖。由圖17a(方案一)可見(jiàn),當(dāng)主風(fēng)機(jī)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(huì)促進(jìn)汽車(chē)底部的冷卻效果。但是,降低風(fēng)機(jī)安裝高度會(huì)使試驗(yàn)段內(nèi)有效的風(fēng)速范圍整體下移,進(jìn)而影響汽車(chē)上部進(jìn)氣格柵的進(jìn)風(fēng)量,對(duì)汽車(chē)散熱器和機(jī)艙散熱造成不利影響。由圖17b(方案二)可見(jiàn),當(dāng)主風(fēng)機(jī)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(duì)優(yōu)化環(huán)境艙的流場(chǎng)效果有限。一般風(fēng)機(jī)的安裝高度需要根據(jù)汽車(chē)進(jìn)氣格柵開(kāi)口的位置高度而定,應(yīng)兼顧汽車(chē)前端冷卻模塊和底部的冷卻進(jìn)風(fēng)量。

(a)風(fēng)機(jī)位置下降75 mm時(shí)y=0截面的速度云圖

第三種優(yōu)化方案是保持主風(fēng)機(jī)的安裝高度不變,將出風(fēng)口的高度增大0.5 m,即出風(fēng)口尺寸從1.5 m×0.7 m調(diào)整為1.5 m×1.2 m。圖18所示為仿真得到的流場(chǎng)分布。對(duì)比圖14和圖18可見(jiàn),主風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口尺寸增大后,環(huán)境艙內(nèi)的流場(chǎng)品質(zhì)得到了一定的改善。在正對(duì)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的試驗(yàn)段內(nèi),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(fēng)速分布更加均勻。增大風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的尺寸后,環(huán)境艙能夠兼顧大部分乘用車(chē)前端冷卻模塊和車(chē)輛底部的冷卻進(jìn)風(fēng)需求。

(a)y=0截面的速度云圖

5 結(jié)論

(1)環(huán)境艙的流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明環(huán)境艙內(nèi)流場(chǎng)品質(zhì)較差,主風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)速分布不均勻,風(fēng)速沿氣流方向衰減明顯,試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)的靜壓在軸向上變化,動(dòng)壓穩(wěn)定性較差,試驗(yàn)段地面氣流的邊界層很厚,這些因素將對(duì)汽車(chē)在環(huán)境艙內(nèi)的冷卻與散熱性能產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致汽車(chē)熱平衡性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真。

(2)基于實(shí)際的汽車(chē)環(huán)境艙結(jié)構(gòu)、尺寸和組成部件建立的環(huán)境艙數(shù)值模型對(duì)環(huán)境艙在無(wú)車(chē)狀態(tài)下的流場(chǎng)具有較高的仿真精度,風(fēng)速仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于3.5%。流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果表明環(huán)境艙的流場(chǎng)品質(zhì)較差,整個(gè)環(huán)境艙內(nèi)部流場(chǎng)非常紊亂。環(huán)境艙流場(chǎng)仿真云圖和氣流跡線圖揭示了影響環(huán)境艙內(nèi)部氣流速度分布、氣流流動(dòng)方向和路線以及流場(chǎng)分布的機(jī)理。

(3)對(duì)主風(fēng)機(jī)的安裝位置和尺寸進(jìn)行了局部調(diào)整,利用環(huán)境艙數(shù)值模型對(duì)主風(fēng)機(jī)調(diào)整后的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明調(diào)整主風(fēng)機(jī)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(fēng)速區(qū)域整體下移或上移,會(huì)影響汽車(chē)前端冷卻模塊和底部的進(jìn)風(fēng)量;增大風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的尺寸可以改善環(huán)境艙的流場(chǎng)品質(zhì)。但是,這些改進(jìn)措施對(duì)提高環(huán)境艙的流場(chǎng)品質(zhì)作用有限。