李舒雅，宋 昕，劉 政，黃憲波

汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙與開(kāi)放道路流場(chǎng)差異分析

李舒雅，宋 昕，劉 政，黃憲波

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙用于汽車(chē)高低溫性能試驗(yàn)，環(huán)境艙內(nèi)流場(chǎng)分布對(duì)評(píng)估汽車(chē)性能非常重要。文章采用試驗(yàn)與數(shù)值仿真的方法分析了汽車(chē)在某排放環(huán)境模擬艙、風(fēng)洞和開(kāi)放道路三種環(huán)境下的流場(chǎng)差異。結(jié)果表明，汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙相對(duì)于整車(chē)風(fēng)洞具有明顯的阻塞效應(yīng)，其對(duì)車(chē)頂壓力分布、機(jī)艙冷卻及底盤(pán)流場(chǎng)均有顯著影響，其中機(jī)艙內(nèi)散熱器表面速度相比道路低19%；車(chē)輛底盤(pán)從前向后的流場(chǎng)速度偏差逐漸減小，前懸附近偏差最大達(dá)50%，尾排附近偏差最小為10%。該結(jié)果可為利用排放環(huán)境模擬艙評(píng)估汽車(chē)機(jī)艙冷卻性能、乘員艙舒適性能、底盤(pán)熱傷害性能提供有益參考。

排放環(huán)境模擬艙；風(fēng)洞試驗(yàn)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；數(shù)值仿真；開(kāi)放道路；流場(chǎng)差異

汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙早期常用于汽車(chē)排放試驗(yàn)，發(fā)展至今已有規(guī)范的排放試驗(yàn)室和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]。而汽車(chē)高低溫性能試驗(yàn)主要關(guān)注汽車(chē)底盤(pán)熱傷害、空調(diào)熱舒適性及機(jī)艙冷卻性能，早期主要采用道路試驗(yàn)評(píng)價(jià)的方法，但考慮到道路試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)成本，目前汽車(chē)高低溫環(huán)境試驗(yàn)大部分也在排放環(huán)境模擬艙內(nèi)進(jìn)行，因此，排放環(huán)境模擬艙空間及風(fēng)機(jī)均較小，存在顯著的阻塞效應(yīng)[2]，且全球輕型車(chē)排放測(cè)試程序（World Light vehicle Test Procedure, WLTP）規(guī)范對(duì)風(fēng)機(jī)的要求主要體現(xiàn)在冷卻方面，并無(wú)嚴(yán)格的風(fēng)機(jī)位置、尺寸及出流均勻性要求。由此可知，最終的汽車(chē)高低溫性能評(píng)價(jià)結(jié)果不確定性較大?，F(xiàn)如今，對(duì)汽車(chē)性能和開(kāi)發(fā)成本之間的平衡要求越來(lái)越高，汽車(chē)排放環(huán)境艙的試驗(yàn)結(jié)果屢受質(zhì)疑，找出汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙與道路流場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián)性，縮小排放模擬環(huán)境艙與道路評(píng)價(jià)結(jié)果差異顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)排放環(huán)境模擬艙的研究主要集中于環(huán)境模擬艙內(nèi)平均溫度的控制[3-4]，對(duì)艙內(nèi)汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)及溫度分布與道路差異的研究較少。徐波和鄒亞平研究了送風(fēng)方式和送風(fēng)參數(shù)對(duì)排放環(huán)境模擬艙內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明兩種送風(fēng)方法和送風(fēng)參數(shù)均能滿(mǎn)足排放試驗(yàn)要求[5-6]。ASTORRI也通過(guò)試驗(yàn)和仿真的方法研究了排放環(huán)境模擬艙與風(fēng)洞的流場(chǎng)差異，結(jié)果表明汽車(chē)前部和底盤(pán)的流場(chǎng)可滿(mǎn)足試驗(yàn)要求[7]。上海大眾及中汽中心均通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明排放環(huán)境模擬艙結(jié)果對(duì)于機(jī)艙冷卻性能有一定的借鑒意義，但對(duì)于底盤(pán)熱傷害性能評(píng)價(jià)則偏差較大而不可采用[8-9]。這說(shuō)明排放環(huán)境模擬艙的結(jié)構(gòu)差異會(huì)導(dǎo)致截然不同的試驗(yàn)結(jié)論，一方面揭示出目前行業(yè)內(nèi)缺少統(tǒng)一用于汽車(chē)高低溫性能試驗(yàn)的排放環(huán)境模擬艙試驗(yàn)規(guī)范，另一方面也說(shuō)明建立排放環(huán)境模擬艙與道路關(guān)聯(lián)性的重要性和緊迫性。

文章首先建立了環(huán)境艙數(shù)值仿真模型，并利用風(fēng)速傳感器對(duì)環(huán)境艙流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上建立了數(shù)字風(fēng)洞和道路仿真模型，對(duì)三種環(huán)境下的車(chē)輛周?chē)鲌?chǎng)分布差異進(jìn)行研究，為建立三種環(huán)境下的流場(chǎng)關(guān)聯(lián)性提供參考。

1 汽車(chē)環(huán)境艙數(shù)值計(jì)算方法

1.1 汽車(chē)環(huán)境艙計(jì)算模型

汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)主要結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，通過(guò)詳細(xì)測(cè)量風(fēng)機(jī)幾何輪廓、離地高度、出風(fēng)口段格柵尺寸，同時(shí)忽略對(duì)流場(chǎng)影響較小的綁車(chē)柱等結(jié)構(gòu)，保留影響較大的陽(yáng)光模擬結(jié)構(gòu)，建立簡(jiǎn)化模型如圖1(b)所示。為保證流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的分辨率和準(zhǔn)確性，在風(fēng)機(jī)和車(chē)輛區(qū)域進(jìn)行了Block1～4四層網(wǎng)格加密，其加密尺度由網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證進(jìn)行確定。

圖1 汽車(chē)環(huán)境艙簡(jiǎn)化模型

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格處理

以風(fēng)機(jī)段的出口和入口作為計(jì)算域氣流的入口和出口，試驗(yàn)風(fēng)速為8 m/s，入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，流量以格柵出口速度進(jìn)行換算，風(fēng)機(jī)回流出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力采用環(huán)境艙內(nèi)大氣壓，其他壁面均為無(wú)滑移壁面條件。

為驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行不同程度的加粗和細(xì)化，網(wǎng)格數(shù)量如表1所示，同時(shí)監(jiān)控位于噴口之后前（0.77 m）、中（3.02 m）、后（5.60 m）及上（距地面0.5 m）、中（距地面0.3 m）、下（距地面0.1 m）共9個(gè)點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)，如圖2所示。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證方案 單位：萬(wàn)單元

網(wǎng)格方案網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格11 120 網(wǎng)格21 480 網(wǎng)格31 860 網(wǎng)格42 350

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

隨著網(wǎng)格加密密度的增加，后部的速度差異逐漸減小，網(wǎng)格3和網(wǎng)格4的速度誤差小于0.1 m/s，綜合考慮計(jì)算效率和精度，本文采用網(wǎng)格3作為環(huán)境艙基礎(chǔ)網(wǎng)格方案，最終網(wǎng)格方案如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意

1.3 數(shù)值計(jì)算方程及求解方法

由于試驗(yàn)風(fēng)速遠(yuǎn)低于聲速，馬赫數(shù)小于0.3，因此，將環(huán)境艙內(nèi)氣流看作不可壓縮流體，其空氣密度為常數(shù)，取1.184 kg/m3，數(shù)值計(jì)算控制方程為

式中，u為流體速度沿方向的分量；為靜壓力；為粘性應(yīng)力矢量；F為體積作用力，由于流體為單組分空氣，不考慮重力作用，因此，F為0。本文研究對(duì)象為環(huán)境艙流場(chǎng)特性，環(huán)境艙溫度穩(wěn)定在25°，數(shù)值仿真不考慮溫度變化，不計(jì)算能量方程。通常環(huán)境艙試驗(yàn)時(shí)，雷諾數(shù)高達(dá)106，汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)屬于高度發(fā)展的湍流流場(chǎng)，采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算資源要求非常高，因此，采用廣泛應(yīng)用的Relizable-湍流模型模擬湍流進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

采用葉輪式風(fēng)速儀測(cè)量8 m/s風(fēng)速工況下無(wú)車(chē)狀態(tài)時(shí)9個(gè)位置的風(fēng)速，試驗(yàn)測(cè)量采用如圖4所示的支撐結(jié)構(gòu)，每次測(cè)量記錄60 s內(nèi)上中下三個(gè)位置的風(fēng)速，并取平均值作為該點(diǎn)測(cè)速。

圖4 試驗(yàn)過(guò)程示意圖

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比（測(cè)點(diǎn)位置與1.2小節(jié)數(shù)據(jù)一致）如圖5所示，可以看出仿真和試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，風(fēng)速在距離噴口出口位置靠近地面位置的風(fēng)速最低，這是因?yàn)榭拷鼑娍谙路降奈恢蔑L(fēng)機(jī)無(wú)法吹到，在0.3 m和0.5 m高度上，距離出風(fēng)口越遠(yuǎn)，試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速越低，而在仿真計(jì)算中，同一高度上的風(fēng)速基本不變，因此，便導(dǎo)致在距離噴口較近的區(qū)域仿真與試驗(yàn)非常接近，而距離噴口越遠(yuǎn)，這個(gè)差異就越大，其主要是因?yàn)榄h(huán)境艙內(nèi)轉(zhuǎn)鼓及地面花紋影響邊界層的發(fā)展，導(dǎo)致后部氣流流速較低。

圖5 試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比

2.2 三種環(huán)境下汽車(chē)車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)差異研究

為確定環(huán)境艙試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)及開(kāi)放道路試驗(yàn)流場(chǎng)的差異，采用國(guó)際標(biāo)模DriAer模型的Estate車(chē)型作為研究對(duì)象[10]，研究了環(huán)境艙、風(fēng)洞和開(kāi)放道路三種環(huán)境下的汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)分布，均采用 8 m/s的速度輸入，其中風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及開(kāi)放道路邊界條件設(shè)定采用與文獻(xiàn)[11]相同的方式，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 三種環(huán)境下汽車(chē)底部速度沿縱向變化曲線

圖6中“H5 cm”、“H10 cm”及“H15 cm”表示取樣位置距地面高度分別為5 cm、10 cm及15 cm，可以看到在氣流接觸汽車(chē)之前，開(kāi)放道路測(cè)試結(jié)果基本與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果一致，而環(huán)境艙測(cè)得速度在三種高度下的結(jié)果均遠(yuǎn)低于風(fēng)洞和開(kāi)放道路環(huán)境下測(cè)得的結(jié)果，這是因?yàn)榄h(huán)境艙風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口高度為20 cm，高于所有的取點(diǎn)位置。氣流在1.2 m位置接觸汽車(chē)時(shí)受前保影響，汽車(chē)底部速度增加，如圖7所示。但隨著氣流沿車(chē)底盤(pán)的發(fā)展，受氣流分離和車(chē)身底板邊界層影響，靠近底盤(pán)的高度為15 cm位置的風(fēng)速降低，因此，圖6中15 cm高度的風(fēng)速最低、10 cm高度風(fēng)速次之、5 cm高度位置風(fēng)速最高。此外，隨著測(cè)點(diǎn)高度增加，三種環(huán)境下的風(fēng)速差異減小，主要是由于風(fēng)機(jī)阻塞效應(yīng)和地面邊界層的影響，其中車(chē)輛前懸附近的偏差普遍大于車(chē)輛后部的偏差，這也主要是受上述氣流分離的影響。

從圖7汽車(chē)前保局部放大圖可以看出環(huán)境艙工況氣流分離最嚴(yán)重，因此，圖6中15 cm高度位置的風(fēng)速降低也最快。在前懸位置，環(huán)境艙測(cè)的風(fēng)速與風(fēng)洞和道路條件下相差50%，在汽車(chē)底盤(pán)中部環(huán)境艙與風(fēng)洞及道路條件下測(cè)的風(fēng)速相差25%，而在汽車(chē)尾部相差10%。因此，從對(duì)流散熱角度來(lái)看，汽車(chē)底盤(pán)前部測(cè)點(diǎn)的高低溫評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果偏差較大，后部區(qū)域與其他兩種環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果相近，其從汽車(chē)底盤(pán)速度云圖（見(jiàn)圖8）同樣可以清晰得出。

圖7 三種環(huán)境下汽車(chē)縱對(duì)稱(chēng)面速度矢量云圖

從圖7縱對(duì)稱(chēng)截面速度矢量圖中車(chē)頂速度分布及圖8車(chē)身上表面速度分布可以看出，在環(huán)境艙條件下，前風(fēng)擋、A柱及后視鏡風(fēng)速明顯低于風(fēng)洞和開(kāi)放道路條件下的風(fēng)速。車(chē)身縱截面上半部分各測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)分布如圖9所示，可以看到環(huán)境艙內(nèi)車(chē)頂?shù)膲毫ο禂?shù)均遠(yuǎn)高于道路，且均為正壓，而在道路及風(fēng)洞環(huán)境中大部分位置為負(fù)壓，因此，這會(huì)大大影響汽車(chē)上方的氣流速度，從而進(jìn)一步影響陽(yáng)光模擬的熱輻射速度，影響乘員艙熱舒適性的準(zhǔn)確評(píng)估，但其壓力分布趨勢(shì)一致，表明其流場(chǎng)具有明確的關(guān)聯(lián)性。

圖8 汽車(chē)車(chē)身表面附近速度分布

圖10為汽車(chē)縱向剖面和橫向剖面在機(jī)艙內(nèi)的流動(dòng)速度分布圖，可以看出環(huán)境艙條件下，流入機(jī)艙的氣流速度也明顯低于風(fēng)洞和開(kāi)放道路條件下的機(jī)艙內(nèi)風(fēng)速，特別是穿過(guò)下側(cè)格柵的風(fēng)速遠(yuǎn)低于風(fēng)洞和開(kāi)放道路工況，因此，在散熱器前形成兩個(gè)相對(duì)較大的渦結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致散熱器前熱量積聚，散熱器散熱不充分，從而對(duì)機(jī)艙內(nèi)部件造成熱傷害，影響整車(chē)性能。圖11為三種環(huán)境下散熱器前表面平均速度對(duì)比，可以看出環(huán)境艙條件下散熱器表面速度比開(kāi)放道路條件下低了18%，而風(fēng)洞條件僅比開(kāi)放道路條件低5%。

圖9 車(chē)身上部從前至后縱截面處壓力系數(shù)

圖10 汽車(chē)機(jī)艙縱截面和橫截面速度分布矢量云圖

圖11 三種環(huán)境下散熱器前表面平均速度對(duì)比

綜上，可以看出環(huán)境艙工況下汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)在車(chē)頂、車(chē)底及機(jī)艙內(nèi)均低于風(fēng)洞和開(kāi)放道路工況，可能導(dǎo)致機(jī)艙、底盤(pán)和乘員艙的散熱不充分，進(jìn)而導(dǎo)致汽車(chē)的高低溫評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確，但風(fēng)洞環(huán)境與開(kāi)放道路結(jié)果較接近。當(dāng)環(huán)境艙試驗(yàn)與道路仿真指標(biāo)存在明顯偏差時(shí)，可以采用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)替代道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論

采用數(shù)值仿真的方法分析了環(huán)境艙、風(fēng)洞與道路三種環(huán)境下車(chē)輛周?chē)牧鲌?chǎng)差異，結(jié)果表明，車(chē)輛底盤(pán)速度與開(kāi)放道路相比，由前至后偏差逐漸降低。環(huán)境艙內(nèi)車(chē)頂壓力分布明顯不同于風(fēng)洞和開(kāi)放道路，利用環(huán)境艙進(jìn)行乘員艙熱舒適性性能評(píng)估存在明顯的不足，但其壓力分布具有相同的趨勢(shì)，存在明確的流場(chǎng)關(guān)聯(lián)性，需積累大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后逐步建立關(guān)聯(lián)性。環(huán)境艙內(nèi)汽車(chē)的機(jī)艙散熱器進(jìn)風(fēng)面平均速度相較于開(kāi)放道路工況偏低，當(dāng)環(huán)境艙測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)性能偏差較大時(shí)，利用風(fēng)洞驗(yàn)證具有一定的可靠性。

[1] 環(huán)境保護(hù)部,科技標(biāo)準(zhǔn)部.中華人民共和國(guó)輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段):GB 18352.6—2016[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2016.

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Analysis of the Flow Field Difference between Vehicle Emission Environment Simulation Chamber and Open Road

LI Shuya, SONG Xin, LIU Zheng, HUANG Xianbo

( Automotive Engineering Research Institute,Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

The vehicle emission environment simulation chamber is used for the high and low temperature performance test of the vehicle,and the flow field distribution in the environment chamber is very important to evaluate the vehicle performance.In this paper, experimental and numerical simulation methods are used to analyze the differences of vehicle flow field in an emission environment simulation chamber,wind tunnel and open road.The results show that the vehicle emission environment simulation cabin has obvious blocking effect compared with the vehicle wind tunnel, which has significant influence on the roof pressure distribution, cabin cooling and chassis flow field,and the surface velocity of the radiator in the cabin is 19% lower than that on the road;and the velocity deviation of the chassis flow field from front to back gradually decreases,with the maximum deviation near the front suspension reaching 50%,and the deviation near the tail row is at least 10%. The results can provide useful reference for evaluating the cooling performance of the cabin, the comfort performance of the cabin and the thermal damage performance of the chassis by using the emission environment simulation cabin.

Emission environment simulation chamber;Wind tunnel test;Computational fluid dynamics;Numerical simulation;Open road;Flow field difference

U467

A

1671-7988(2023)11-159-05

李舒雅（1993－），男，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)風(fēng)洞試驗(yàn)與空氣動(dòng)力學(xué)，E-mail:sean@hnu.edu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.029