摘要：針對(duì)目前環(huán)境風(fēng)洞普遍缺少地面模擬的情況，通過數(shù)值模擬技術(shù)，建立 1:1 環(huán)境風(fēng)洞模型及整車模型，對(duì)比分析了移動(dòng)地面對(duì)車輛冷卻系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)的影響。結(jié)果表明：環(huán)境風(fēng)洞在引入地面模擬后，車身底部的流場(chǎng)分布發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在附面邊界層的厚度減少，通過車身底部的空氣流速增大，由此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流出口的壓力，使得通過散熱器的冷卻空氣質(zhì)量流量增加 1.2%左右。

0 引言

車輛在路面行駛過程中，空氣與地面不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣流在路面上沒有邊界層，為了在風(fēng)洞試驗(yàn)中正確模擬移動(dòng)地面，目前在氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中逐漸普及了地面模擬系統(tǒng)[1,2]，應(yīng)用較為廣泛的是五帶地面模擬系統(tǒng)[3,4]。早期 Hucho[5]曾指出在對(duì)車輛冷卻系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究時(shí)，只需精確模擬車輛前端的外部流場(chǎng)即可，但是隨著對(duì)冷卻系統(tǒng)需求的不斷提升，需要考慮移動(dòng)地面以及輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。目前環(huán)境風(fēng)洞中所裝備的皆為兩軸式四輪轉(zhuǎn)鼓，能夠模擬車輪轉(zhuǎn)動(dòng)[6]，而普遍缺少對(duì)移動(dòng)地面的模擬。由于在乘用車中，流經(jīng)冷卻模塊的氣流一般由發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部流出，因而車身底部流場(chǎng)的變化勢(shì)必會(huì)對(duì)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)的結(jié)果造成影響，文獻(xiàn)[7,8]通過對(duì)比地面模擬對(duì)車身外部流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)由于地面邊界層的存在，使得車輛前端駐點(diǎn)位置發(fā)生變化，由此改變了冷卻模塊前方的流場(chǎng)分布，同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過車身底部的空氣質(zhì)量流量減少，進(jìn)而影響到通過散熱器的冷卻空氣流量，但文中并未對(duì)此影響給出具體的量化結(jié)果。目前關(guān)于地面模擬對(duì)車輛氣動(dòng)試驗(yàn)的影響研究較多[9-11]，而關(guān)于移動(dòng)地面對(duì)環(huán)境風(fēng)洞中冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)的影響研究較少，故本文基于數(shù)值仿真技術(shù)研究移動(dòng)地面對(duì)冷卻系統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)的影響。

1 數(shù)值方法及設(shè)置

1.1 數(shù)值模型

本文所采用的數(shù)值模型為某三廂乘用車，車型參數(shù)如表 1 所示，該模型為 1:1 整車模型，且基本保留了所有的實(shí)車細(xì)節(jié)，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)艙中對(duì)流場(chǎng)影響較小的組件，如輸電線、螺栓等，圖 1 所示為該車的冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及車身底部視圖。數(shù)值計(jì)算選擇基于有限體積法的商業(yè)軟件 STAR-CCM+，湍流模型選擇 Realizable k-epsilon 模型，近壁面使用 Two-Layer All y+ Wall Treatment，散熱器、冷凝器使用多孔介質(zhì)模型，其粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)通過單體測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到。

計(jì)算域參照同濟(jì)大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行創(chuàng)建，該風(fēng)洞為開口式風(fēng)洞，包括收縮段、噴口、試驗(yàn)段、駐室、收集口以及擴(kuò)散段，車輛前端距離噴口為 1.7m（參照實(shí)車試驗(yàn)布置），為避免出口邊界出現(xiàn)回流，進(jìn)而影響計(jì)算穩(wěn)定性，需要對(duì)擴(kuò)散段進(jìn)行延長(zhǎng)，文中擴(kuò)散段取 15m。入口邊界設(shè)為質(zhì)量流量入口，出口邊界設(shè)為分散流出口，壁面邊界條件取為固定壁面，由于車輛在環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)過程中是在轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行，因此需要在模型中設(shè)置車輪旋轉(zhuǎn)。為模擬移動(dòng)地面，本文采用單移動(dòng)帶形式，圖 2 所示為計(jì)算域的幾何模型以及所采用的單移動(dòng)帶。

面網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，體網(wǎng)格劃分采用以六面體為核心的剪裁體網(wǎng)格，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車身底部等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密，最終劃分的體網(wǎng)格數(shù)目約為 2500 萬。

1.2 模型驗(yàn)證

通過對(duì)比車輛前端總壓來驗(yàn)證仿真模型，在車頭前端 200mm 處安裝總壓排，該總壓排共布置 28 個(gè) 1mm總壓管，驗(yàn)證試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心的環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行，如圖 3 所示，試驗(yàn)風(fēng)速為 120km/h，圖 4 所示為試驗(yàn)與仿真的結(jié)果對(duì)比，可以看出仿真所得的總壓分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果比較一致，兩者的平均誤差在 7%左右，考慮到測(cè)量設(shè)備的誤差，可認(rèn)為該模型具有較高的模擬精度。

2 結(jié)果分析

為分析移動(dòng)地面對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，本文計(jì)算了在移動(dòng)地面（Moving Ground）和固定地面（Solid Ground）工況下不同來流風(fēng)速下整車的流場(chǎng)分布。

2.1 冷卻模塊空氣側(cè)流場(chǎng)分布

車輛運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量是由冷卻液帶至散熱器，并在此通過熱交換散發(fā)到外部空氣中，因此冷卻模塊空氣側(cè)的流場(chǎng)分布決定了其換熱性能。圖 5 所示為 120km/h 下發(fā)動(dòng)機(jī)艙對(duì)稱面上的速度分布云圖，整體來看，移動(dòng)地面的使用并未改變發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)分布，僅在冷凝器上部的流速有所降低。

圖 6 所示為 120km/h 下散熱器冷凝器迎風(fēng)面的速度云圖，相對(duì)于固定地面工況，移動(dòng)地面下的散熱器迎風(fēng)面速度分布存在較為明顯的變化，其低速區(qū)域減小，通過散熱器的冷卻空氣風(fēng)速整體有所提升。

2.2 散熱器進(jìn)氣流量對(duì)比

通過散熱器的空氣流量是決定散熱器換熱性能的重要特征參數(shù)，因而也是判定冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)精度的主要標(biāo)準(zhǔn)。表 2 給出了不同風(fēng)速下通過散熱器的空氣質(zhì)量流量，可以看出，散熱器的進(jìn)氣流量隨著迎風(fēng)風(fēng)速的增加而增加，且相對(duì)固定地面工況，移動(dòng)地面工況下通過散熱器的空氣質(zhì)量流量在各風(fēng)速下均有不同程度的提升，約為 1.2%左右，其中 100km/h 下增幅最大，為 1.63%。

2.3 車身底部速度輪廓

為分析移動(dòng)地面對(duì)車身底部流場(chǎng)的影響，提取 120km/h 下車身底部對(duì)稱面上三處不同位置上（A、B 和C）的速度輪廓，如圖 7 所示，A 處對(duì)應(yīng)車輛前端駐點(diǎn)位置，B 處對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板后沿位置，C 處對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙防火墻位置。由圖可以看出，在近地面處（H<0.05m），移動(dòng)地面工況下的速度整體有所提升，且附面邊界層的厚度相對(duì)減??；對(duì)應(yīng) H>0.05m 時(shí)，A 和 B 處的速度并未有顯著變化，而對(duì)應(yīng) C 處，移動(dòng)地面工況下的速度有明顯的提升。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙出口壓力分布

提取發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流出口截面上的壓力分布進(jìn)行分析，如圖 8 所示，在移動(dòng)地面和固定地面工況下，該截面上的壓力分布并未有較明顯的變化，不同的是移動(dòng)地面工況下冷卻氣流出口截面的整體平均壓力有所降低，由于車輛前端壓力保持不變，冷卻氣流的進(jìn)出口壓差增大，從而使通過冷卻模塊的空氣質(zhì)量流量增大。發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流出口壓力下降的原因在于移動(dòng)地面的引入，使得附面邊界層的厚度減小，流過車身底部的空氣流速整體有所提升，從而使該處的靜壓降低。表 3 給出了不通風(fēng)速下冷卻氣流出口截面上的靜壓平均值，可以看出，移動(dòng)地面工況下該截面上的靜壓值發(fā)生下降，且隨著風(fēng)速的提升靜壓降幅逐漸增大，但對(duì)比表 2 可以看出，靜壓降幅的增加并沒有對(duì)通過散熱器的進(jìn)氣流量產(chǎn)生顯著影響。

3 結(jié)論與展望

目前環(huán)境風(fēng)洞普遍缺少對(duì)移動(dòng)地面的模擬，本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)比分析了車輛在移動(dòng)地面和固定地面工況下前端的流場(chǎng)分布。結(jié)果表明：

a) 環(huán)境風(fēng)洞在引入地面模擬后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)分布變化不大，散熱器迎風(fēng)面上的速度整體有所增加；

b) 通過散熱器的空氣質(zhì)量流量增加 1.2%左右，原因是由于在移動(dòng)地面工況下，附面邊界層的厚度減少，使得通過車身底部的空氣流速增大，特別是對(duì)應(yīng)冷卻氣流出口位置的空氣流速，由此降低了冷卻氣流出口的壓力，增大發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻氣流進(jìn)出口壓差，從而導(dǎo)致通過散熱器的冷卻空氣流量增加；

因此，從通過散熱器的空氣流量變化來看，地面模擬對(duì)車輛冷卻系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)存在一定的影響。

此外，本文僅考慮移動(dòng)地面對(duì)冷卻系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)的影響，為進(jìn)一步擴(kuò)展本文的研究成果，有必要研究切向吹氣或邊界層抽吸與移動(dòng)地面對(duì)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)的綜合影響。