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。

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。

1 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。

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。

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。

2 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。

2.1 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。

图 6 所示为 120km/h 下散热器冷凝器迎风面的速度云图，相对于固定地面工况，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，其低速区域减小，通过散热器的冷却空气风速整体有所提升。

2.2 散热器进气流量对比

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。表 2 给出了不同风速下通过散热器的空气质量流量，可以看出，散热器的进气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 100km/h 下增幅最大，为 1.63%。

2.3 车身底部速度轮廓

为分析移动地面对车身底部流场的影响，提取 120km/h 下车身底部对称面上三处不同位置上（A、B 和C）的速度轮廓，如图 7 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。由图可以看出，在近地面处（H<0.05m），移动地面工况下的速度整体有所提升，且附面边界层的厚度相对减小；对应 H>0.05m 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明显的提升。

2.4 发动机舱出口压力分布

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 8 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，使得附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，从而使该处的静压降低。表 3 给出了不通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，且随着风速的提升静压降幅逐渐增大，但对比表 2 可以看出，静压降幅的增加并没有对通过散热器的进气流量产生显著影响。

3 结论与展望

目前环境风洞普遍缺少对移动地面的模拟，本文基于数值模拟技术，对比分析了车辆在移动地面和固定地面工况下前端的流场分布。结果表明：

a) 环境风洞在引入地面模拟后，发动机舱流场分布变化不大，散热器迎风面上的速度整体有所增加；

b) 通过散热器的空气质量流量增加 1.2%左右，原因是由于在移动地面工况下，附面边界层的厚度减少，使得通过车身底部的空气流速增大，特别是对应冷却气流出口位置的空气流速，由此降低了冷却气流出口的压力，增大发动机舱冷却气流进出口压差，从而导致通过散热器的冷却空气流量增加；

因此，从通过散热器的空气流量变化来看，地面模拟对车辆冷却系统的环境风洞试验存在一定的影响。

此外，本文仅考虑移动地面对冷却系统环境风洞试验的影响，为进一步扩展本文的研究成果，有必要研究切向吹气或边界层抽吸与移动地面对环境风洞试验的综合影响。