袁志群 谷正氣 方 遒 袁俠義

1.廈門理工學院,廈門,361024 2.湖南工業(yè)大學,株洲,412008 3.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

0 引言

對高速行駛的汽車,降低氣動阻力是空氣動力學設計的準則,也是改善燃油經(jīng)濟性最有效的途徑之一[1]。發(fā)動機艙內(nèi)流阻力是整車氣動阻力的主要組成部分,占汽車總氣動阻力的10%～18%[1-2];而發(fā)動機艙的流場特性對散熱性能十分重要,它直接關系到汽車的壽命以及性能[3-5]。因此對發(fā)動機艙內(nèi)部流場的氣動參數(shù)進行分析尤為重要。

在傳統(tǒng)的汽車設計過程中,發(fā)動機艙流場常依靠設計者的經(jīng)驗或采用工程評估的方法進行控制,產(chǎn)品基本定型后再進行風洞實驗驗證,但目前的實驗手段很難清楚地捕捉到發(fā)動機艙內(nèi)部的流動特性,也很難預測發(fā)動機艙內(nèi)流阻力的變化規(guī)律[6],以致于數(shù)據(jù)不能及時更新、設計周期延長、成本增加。隨著計算機發(fā)展及計算技術的進步,數(shù)值計算得到迅猛發(fā)展[7-8],成為空氣動力學研究的輔助手段,它避免了風洞實驗的許多瓶頸問題,可與風洞實驗結(jié)果相互對比,對風洞實驗結(jié)論進行補充校正,數(shù)值計算得到的發(fā)動機艙布置參數(shù)與汽車空氣動力學特性規(guī)律關系,可對改善汽車氣動特性在理論上進行指導。

1 數(shù)值計算模型

汽車車速一般遠低于聲速,馬赫數(shù)較小,汽車空氣動力學屬于低速空氣動力學范疇,因此汽車周圍流場可看作是三維不可壓縮黏性等溫流場[1],由于其外形復雜容易引起分離,所以應按湍流處理。研究表明Realizable k-ε湍流模型在氣動參數(shù)計算方面比較理想[9],本文即選用該湍流模型進行分析。

1.1 基本方程

湍流計算的基本控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程,簡稱RANS方程,其控制方程如下：

(1)連續(xù)方程

(2)運動方程

其中,μeff為湍流有效黏性系數(shù),定義如下：

式中,ui、uj為平均速度分量;xi、xj為坐標分量;p為流體微元體上的壓力;μ為動力黏度;μt為湍動黏度;ρ為流體密度;k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;Cμ為常數(shù)。

1.2 湍流模型

Realizable k-ε湍流模型是相對較新的兩方程湍流模型,具有最新的湍流控制方程和針對耗散率的傳遞方程,適用于雷諾應力下確定的數(shù)學約束以及湍流流態(tài)。關于k和ε的輸運方程如下：

湍流動能k方程

湍動耗散率ε方程

式(4)、式(5)中,σk、σε、C1、C2是常數(shù),v 是流體的速度,C1由式(7)計算,S是變形張量。Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項,由下式計算：

以上各式中其他參數(shù)定義如下：

該湍流模型可用于各種不同類型的流動計算,包括剪切流動、邊界層流動以及帶有分離的流動,比較適合汽車流場的數(shù)值仿真計算。

1.3 計算方案

為了準確模擬汽車行駛時發(fā)動機艙內(nèi)部空氣的流動情況,采用發(fā)動機艙外部流場與內(nèi)部流場耦合求解方法[10],如圖1所示。在發(fā)動機艙進風口以及出風口位置,軟件根據(jù)發(fā)動機艙內(nèi)外流動信息自動計算該處流場參數(shù)。

圖1 發(fā)動機艙流場計算方案

發(fā)動機艙內(nèi)部結(jié)構十分復雜,存在許多油、水、電管道和電纜,目前國內(nèi)外計算流體動力學(CFD)水平還無法進行完全真實形狀的數(shù)值計算。因此,在保證反映發(fā)動機艙內(nèi)真實流動特性的前提下,對某前置前驅(qū)汽車發(fā)動機艙內(nèi)部進行了適當簡化,主要考慮冷卻系統(tǒng)(包括中冷器、冷凝器和散熱器)、風扇、發(fā)動機、變速箱、離合器、副車架以及發(fā)動機艙內(nèi)附件,對流動影響較小的線束進行適當簡化;計算模型同時考慮了對整車流場影響較大的雨刮器、后視鏡、門把手以及車身底部等細節(jié)。整車模型如圖2所示。

圖2 汽車整車模型

2 數(shù)值計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

計算域為一個圍繞車身的長方體,汽車模型前部留3倍車長的長度,后部留7倍車長的長度,上部留5倍車高的長度,兩側(cè)均留5倍車寬的長度,數(shù)值風洞阻塞比為1.93%,可認為整個計算域與實際空氣流動區(qū)域具有一致性。

采用OCTREE方法在整個計算域生成非結(jié)構化空間網(wǎng)格,在車身內(nèi)外表面拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格,以滿足壁面函數(shù)的需求,精確模擬汽車表面的附面層。計算域全局體網(wǎng)格尺寸為512mm,整車內(nèi)外表面全局尺寸為32mm。根據(jù)計算經(jīng)驗,在流動變化劇烈區(qū)域(如A柱、C柱、翼子板等)進行網(wǎng)格加密(面網(wǎng)格尺寸為16mm或8mm)。為更好地捕捉尾部的流場特性,在車尾至尾部1倍距離以內(nèi)體網(wǎng)格加密為128mm。

2.2 邊界條件

邊界條件分為發(fā)動機艙外部計算域和內(nèi)部計算域兩大類。外部計算域在有限區(qū)域內(nèi)進行,在滿足阻塞效應前提下,給定速度入口、壓力出口、滑移壁面邊界;當汽車行駛時,地面沒有邊界層,本文采用移動地面消除由于數(shù)值仿真產(chǎn)生的地面邊界層。外部計算域邊界條件詳見文獻[7-8,11]。

發(fā)動機艙內(nèi)部計算域應用多孔介質(zhì)理論和多參考坐標系法建立冷卻系統(tǒng)和風扇的計算物理模型,然后根據(jù)冷卻系統(tǒng)壓降與迎面風速的關系曲線確定發(fā)動機艙內(nèi)部邊界條件。

2.2.1 冷卻系統(tǒng)邊界條件

過去對發(fā)動機艙流場進行數(shù)值計算時,必須事先對冷卻系統(tǒng)在專用的實驗臺架上進行風洞實驗,得到流動阻力與速度的關系曲線,但該方法成本較高、設計周期長。

本文提出一種對冷卻系統(tǒng)直接進行數(shù)值計算的方法,該方法設計周期短,費用低,精度可達到工程設計的要求[12]。以百葉窗散熱器為例進行說明,結(jié)構示意圖見圖3,經(jīng)過對其合理簡化,假定每個翅片間流道均勻,且扁管間距相等,結(jié)合周期性邊界條件建立百葉窗散熱器計算模型如圖4所示。

圖3 百葉窗汽車散熱器結(jié)構示意圖

根據(jù)不同速度下的雷諾數(shù)選擇不同的湍流模型,采用基于壓力耦合式算法進行計算,得出了不同空氣流速下散熱器空氣流動阻力(計算方法和計算結(jié)果詳見文獻[12])。根據(jù)計算結(jié)果得出空氣流動壓差Δp、速度v之間的關系如下：

圖4 百葉窗汽車散熱器計算模型

應用上述方法亦可計算出冷凝器、中冷器流動阻力與速度之間的關系曲線。

對發(fā)動機艙內(nèi)外流場進行耦合計算時,將冷卻系統(tǒng)芯部看作多孔介質(zhì),當空氣流經(jīng)該多孔介質(zhì)區(qū)域時,完成速度、壓力的變化。多孔介質(zhì)流動的控制方程是在式(2)中增加一個負的動量源項：

源項由黏性損失項和慣性損失項兩部分構成：

Sk為k坐標方向的外加體積力,處理如下：在多孔介質(zhì)單元中,動量損失對壓力梯度有貢獻,壓降和流體速度成比例。福西哈默爾把多孔介質(zhì)中的流動與管流發(fā)生的現(xiàn)象相比擬,用半理論性的推理,在達西公式中加入一個速度的二次項,即

其中,a、b為常數(shù),該式等價于式(10),于是有

其中,α-1為黏性阻力系數(shù),C2為慣性阻力系數(shù),是進行發(fā)動機艙流場計算時的必需參數(shù),根據(jù)冷卻系統(tǒng)厚度,結(jié)合式(8)、式(11)、式(12)即可求出。

2.2.2 風扇邊界條件

多參考坐標系模型的基本思想是把整車內(nèi)外流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時流場,將非定常問題用定常方法來計算[13]。風扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域在計算時保持靜止,在慣性坐標系中以作用的哥氏力和離心力進行計算,而把風扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域以外的部分在慣性坐標系中進行計算。在兩個子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標系下的流動參數(shù),保證了交界面的連續(xù)性,達到了用定常計算來研究非定常問題的目的。

在旋轉(zhuǎn)坐標系中,運動方程如下：

式中,vr為相對速度矢量;Ω為旋轉(zhuǎn)坐標系角速度;r為質(zhì)點在旋轉(zhuǎn)坐標系中的位置矢量;τ為黏性應力張量;f為單位質(zhì)量力;方程右邊2×Ω×vr項為哥氏加速度;Ω?Ω×r項為離心加速度。

應用多參考坐標系模型時,交界面處交換的數(shù)據(jù)主要為速度矢量,其兩側(cè)的速度被設定成連續(xù)的,旋轉(zhuǎn)坐標系與絕對坐標系下的速度關系為

其中,v為絕對坐標系速度矢量,vτ為旋轉(zhuǎn)坐標系的平均速度矢量,在本問題中vτ=0。利用簡單的幾何關系將旋轉(zhuǎn)坐標系里的相對速度轉(zhuǎn)化為慣性坐標系里的絕對速度,在交界面上將計算得到的速度值直接應用為另一子區(qū)域的速度邊界。

2.3 數(shù)值計算方法驗證

由于受現(xiàn)有實驗條件的限制,本文僅針對圖2外流場計算模型進行風洞驗證實驗。實驗以及計算模型忽略了門把手、雨刮器和車身底部細節(jié)。實驗模型根據(jù)CAD數(shù)模通過數(shù)控加工而成,保證了實驗模型與數(shù)值計算模型的一致性。研究發(fā)現(xiàn),該車型的車當風速達到25m/s左右時,進入雷諾數(shù)自準區(qū)。因此在進行風洞實驗以及數(shù)值計算時 ,風速取 25m/s、30m/s、40m/s三個工況 ,然后取平均值得到表1數(shù)據(jù)。風洞實驗時采用地板抽吸裝置消除地面邊界層的影響;數(shù)值計算采用移動地面邊界消除地面邊界層的影響。

表1 氣動阻力系數(shù)結(jié)果比較

表1為氣動阻力系數(shù)的數(shù)值計算結(jié)果與風洞實驗結(jié)果,精度滿足工程實際需要,誤差在5%以內(nèi),驗證了本文數(shù)值計算方法的準確性。

3 結(jié)果分析與討論

采用上述數(shù)值計算方案以及計算方法對圖2汽車模型在不同車速(10m/s、20m/s、25m/s、30m/s、40m/s)、不同風扇轉(zhuǎn)速(0、2300r/min、2800r/min、3500r/min)下的發(fā)動機艙流場特性、內(nèi)流阻力特性進行數(shù)值計算,分析影響內(nèi)流阻力的關鍵因素。表2為經(jīng)濟車速時,不同風扇轉(zhuǎn)速情況下的氣動阻力系數(shù)數(shù)值計算結(jié)果。

表2 經(jīng)濟車速工況下計算結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知,發(fā)動機艙內(nèi)流阻力占整車氣動阻力的10%左右,它隨著風扇轉(zhuǎn)速的增大而增大,但增大幅度很小。通過對不同工況計算數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：在汽車低速運行工況下,風扇轉(zhuǎn)速對進風量影響很大;而在高速運行工況下,發(fā)動機艙進風量主要來自迎面風,風扇轉(zhuǎn)速對進風量影響不明顯,因此高速時發(fā)動機艙內(nèi)流阻力變化小。

3.1 發(fā)動機艙流動特性分析

在汽車行駛過程中,冷卻氣流從汽車前端的上下進風口進入發(fā)動機艙內(nèi),如圖5所示。氣流進入發(fā)動機艙后,由于冷卻系統(tǒng)的不完全通風性,氣流在此受到阻擋,小部分氣流未流經(jīng)冷卻系統(tǒng)而直接從發(fā)動機艙底部排出;而大部分氣流直接進入冷卻系統(tǒng)芯部,對其進行吹風冷卻。從冷卻系統(tǒng)排出的高溫氣流直接吹向發(fā)動機體,在其前面突然減速,氣流在其四周發(fā)生分離;冷卻氣流流經(jīng)冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機體等熱源部分,通過對流傳熱將熱量帶走,有小部分高溫氣流從發(fā)動機艙前底部排出,大部分高溫氣流從發(fā)動機艙后底部排出。

圖5 發(fā)動機艙三維流線

發(fā)動機艙氣流從底部排出后,造成車底、車尾流場更加紊亂。車尾形成了左右兩個大漩渦(圖6),它們與側(cè)面、頂面而來的氣流形成的馬蹄渦相互作用、相互影響,直至耗散消失,對車尾流場影響較大,增加了能量損耗。從底部排出的氣流,有一小部分從后輪腔排出,該處氣流污雜,氣流上揚對后側(cè)圍以及車尾有一定污染。

圖6 發(fā)動機艙流場對尾渦影響

3.2 冷卻系統(tǒng)風量分析

冷卻系統(tǒng)前端進風量需求是汽車前期開發(fā)的重要內(nèi)容之一,是后續(xù)設計工作的輸入條件。在發(fā)動機艙各部件布置一定的情況下,它主要受車速和風扇轉(zhuǎn)速的影響。圖7所示為不同車速、不同風扇轉(zhuǎn)速n情況下的冷卻系統(tǒng)流量變化情況。

圖7 風扇對冷卻系統(tǒng)流量影響規(guī)律

當汽車低速行駛時,進入汽車前格柵的來流速度小,冷卻系統(tǒng)流量較低,此時風扇提供較大壓升來驅(qū)動氣流進入冷卻系統(tǒng),從而達到冷卻目的。該工況下風扇轉(zhuǎn)速對發(fā)動機艙內(nèi)流阻力影響較大;但隨著車速提高,風扇壓升作用明顯減弱,此時主要靠高速迎面風進入前格柵進行冷卻,因此風扇轉(zhuǎn)速對發(fā)動機艙內(nèi)流阻力影響較小。

為了更清楚地了解冷卻系統(tǒng)風量分布與車速、風扇轉(zhuǎn)速的變化關系,表 3列舉了車速為10m/s、40m/s時不同風扇轉(zhuǎn)速情況下的中冷器、冷凝器和散熱器風量分布情況。由表3可知,隨著車速以及風扇轉(zhuǎn)速的增大,冷卻系統(tǒng)各部件流量都有所提高。當車速較低時,風扇對冷卻系統(tǒng)流量影響較大,而車速高時影響較小。以散熱器為例,當風扇轉(zhuǎn)速由0增加到3500r/min、車速較低時,散熱器流量增加1.3114kg/s,而車速高時散熱器流量增加0.7506kg/s。

表3 冷卻系統(tǒng)各部件風量分布

根據(jù)整車技術規(guī)范所確定的發(fā)動機最高出水溫度、空調(diào)系統(tǒng)制冷量等參數(shù),結(jié)合冷卻系統(tǒng)與空氣的熱交換關系,即可得出冷卻系統(tǒng)所需的進風量需求。將前端進風量需求與表3計算結(jié)果對比即可知道哪些工況不能滿足要求。

3.3 冷卻系統(tǒng)阻力特性分析

冷卻系統(tǒng)流動阻力是發(fā)動機艙內(nèi)流阻力的主要組成部分,以下分別對散熱器、冷凝器、中冷器的流動阻力特性以及影響因素進行了分析。

如圖8所示,當車速一定時(v=40m/s),冷卻系統(tǒng)阻力隨風扇轉(zhuǎn)速的增大而增大。散熱器阻力對風扇轉(zhuǎn)速比較敏感,增加幅度最大,而中冷器阻力隨風扇轉(zhuǎn)速的增加變化不明顯。

圖8 冷卻系統(tǒng)阻力隨風扇轉(zhuǎn)速變化關系

如圖 9所示,當風扇轉(zhuǎn)速一定時(n=2800 r/min),冷卻系統(tǒng)阻力隨著車速的增加而增加。冷凝器對車速比較敏感,增加幅度較大。

圖9 冷卻系統(tǒng)阻力隨車速變化關系

綜合圖8、圖9可知,散熱器和冷凝器對氣動阻力貢獻較大,而中冷器對氣動阻力貢獻較小,主要取決于它們的自身結(jié)構和安裝位置：一方面中冷器有效通風面積較小;另一方面前保險杠造型阻礙了冷卻風進入中冷器?？偠灾?冷卻系統(tǒng)阻力隨流量的增大而增大,所以應合理控制發(fā)動機艙冷卻風量,在保證散熱性能前提下,合理控制冷卻系統(tǒng)風量,使冷卻系統(tǒng)阻力損失最小,可以有效降低發(fā)動機艙內(nèi)流阻力。

4 結(jié)論

(1)發(fā)動機艙流場對汽車氣動特性影響較大,增加了車底、車尾的能量損耗?？紤]發(fā)動機艙流場的影響后,整車氣動阻力增加10%左右。

(2)當車速一定時,內(nèi)流阻力隨著風扇轉(zhuǎn)速的增大而增大。當車速較高時,內(nèi)流阻力隨風扇轉(zhuǎn)速變化不明顯;而當車速較低時,變化比較明顯。

(3)當車速一定時,冷卻系統(tǒng)阻力隨著風扇轉(zhuǎn)速的增大而增大,散熱器阻力對風扇轉(zhuǎn)速比較敏感,中冷器阻力隨風扇轉(zhuǎn)速的提高變化不明顯;當風扇轉(zhuǎn)速一定時,冷卻系統(tǒng)阻力隨著車速的增大而增大,冷凝器阻力對車速比較敏感。

(4)冷卻系統(tǒng)阻力是發(fā)動機艙內(nèi)流阻力的主要組成部分。在保證散熱性能的前提下,合理控制冷卻系統(tǒng)風量是減小發(fā)動機艙內(nèi)流阻力的重要手段。

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