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1、 汽车排放环境模拟舱与开放道路流场差异分析 李舒雅，宋 昕，刘 政，黄宪波汽车排放环境模拟舱与开放道路流场差异分析李舒雅，宋 昕，刘 政，黄宪波（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）汽车排放环境模拟舱用于汽车高低温性能试验，环境舱内流场分布对评估汽车性能非常重要。文章采用试验与数值仿真的方法分析了汽车在某排放环境模拟舱、风洞和开放道路三种环境下的流场差异。结果表明，汽车排放环境模拟舱相对于整车风洞具有明显的阻塞效应，其对车顶压力分布、机舱冷却及底盘流场均有显著影响，其中机舱内散热器表面速度相比道路低19%；车辆底盘从前向后的流场速度偏差逐渐减小，前悬附近偏差最大
2、达50%，尾排附近偏差最小为10%。该结果可为利用排放环境模拟舱评估汽车机舱冷却性能、乘员舱舒适性能、底盘热伤害性能提供有益参考。排放环境模拟舱；风洞试验；计算流体动力学；数值仿真；开放道路；流场差异汽车排放环境模拟舱早期常用于汽车排放试验，发展至今已有规范的排放试验室和试验标准1。而汽车高低温性能试验主要关注汽车底盘热伤害、空调热舒适性及机舱冷却性能，早期主要采用道路试验评价的方法，但考虑到道路试验环境及试验成本，目前汽车高低温环境试验大部分也在排放环境模拟舱内进行，因此，排放环境模拟舱空间及风机均较小，存在显著的阻塞效应2，且全球轻型车排放测试程序（World Light vehicle
3、Test Procedure, WLTP）规范对风机的要求主要体现在冷却方面，并无严格的风机位置、尺寸及出流均匀性要求。由此可知，最终的汽车高低温性能评价结果不确定性较大。现如今，对汽车性能和开发成本之间的平衡要求越来越高，汽车排放环境舱的试验结果屡受质疑，找出汽车排放环境模拟舱与道路流场之间的关联性，缩小排放模拟环境舱与道路评价结果差异显得尤为重要。目前，国内外对汽车排放环境模拟舱的研究主要集中于环境模拟舱内平均温度的控制3-4，对舱内汽车周围流场及温度分布与道路差异的研究较少。徐波和邹亚平研究了送风方式和送风参数对排放环境模拟舱内温度场的影响，结果表明两种送风方法和送风参数均能满足排放试验
4、要求5-6。ASTORRI也通过试验和仿真的方法研究了排放环境模拟舱与风洞的流场差异，结果表明汽车前部和底盘的流场可满足试验要求7。上海大众及中汽中心均通过试验测试表明排放环境模拟舱结果对于机舱冷却性能有一定的借鉴意义，但对于底盘热伤害性能评价则偏差较大而不可采用8-9。这说明排放环境模拟舱的结构差异会导致截然不同的试验结论，一方面揭示出目前行业内缺少统一用于汽车高低温性能试验的排放环境模拟舱试验规范，另一方面也说明建立排放环境模拟舱与道路关联性的重要性和紧迫性。文章首先建立了环境舱数值仿真模型，并利用风速传感器对环境舱流场进行了试验验证，在此基础上建立了数字风洞和道路仿真模型，对三种环境下的
5、车辆周围流场分布差异进行研究，为建立三种环境下的流场关联性提供参考。1 汽车环境舱数值计算方法1.1 汽车环境舱计算模型汽车环境舱内主要结构如图1(a)所示，通过详细测量风机几何轮廓、离地高度、出风口段格栅尺寸，同时忽略对流场影响较小的绑车柱等结构，保留影响较大的阳光模拟结构，建立简化模型如图1(b)所示。为保证流场计算结果的分辨率和准确性，在风机和车辆区域进行了Block14四层网格加密，其加密尺度由网格无关性验证进行确定。图1 汽车环境舱简化模型1.2 计算域与网格处理以风机段的出口和入口作为计算域气流的入口和出口，试验风速为8 m/s，入口采用质量流量入口边界条件，流量以格栅出口速度进行
6、换算，风机回流出口采用压力出口边界条件，出口压力采用环境舱内大气压，其他壁面均为无滑移壁面条件。为验证网格无关性，对网格数量进行不同程度的加粗和细化，网格数量如表1所示，同时监控位于喷口之后前（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个点的速度数据，如图2所示。表1 网格无关性验证方案 单位：万单元网格方案网格数量 网格11 120 网格21 480 网格31 860 网格42 350图2 网格无关性验证结果随着网格加密密度的增加，后部的速度差异逐渐减小，网格3和网格4的速度误差小于0.1 m/s，综合考
7、虑计算效率和精度，本文采用网格3作为环境舱基础网格方案，最终网格方案如图3所示。图3 网格划分示意1.3 数值计算方程及求解方法由于试验风速远低于声速，马赫数小于0.3，因此，将环境舱内气流看作不可压缩流体，其空气密度为常数，取1.184 kg/m3，数值计算控制方程为式中，u为流体速度沿方向的分量；为静压力；为粘性应力矢量；F为体积作用力，由于流体为单组分空气，不考虑重力作用，因此，F为0。本文研究对象为环境舱流场特性，环境舱温度稳定在25，数值仿真不考虑温度变化，不计算能量方程。通常环境舱试验时，雷诺数高达106，汽车周围流场属于高度发展的湍流流场，采用直接数值模拟方法对网格和计算资源要求
8、非常高，因此，采用广泛应用的Relizable-湍流模型模拟湍流进行计算。2 结果分析2.1 试验结果验证采用叶轮式风速仪测量8 m/s风速工况下无车状态时9个位置的风速，试验测量采用如图4所示的支撑结构，每次测量记录60 s内上中下三个位置的风速，并取平均值作为该点测速。图4 试验过程示意图计算结果与试验对比（测点位置与1.2小节数据一致）如图5所示，可以看出仿真和试验结果趋势基本一致，风速在距离喷口出口位置靠近地面位置的风速最低，这是因为靠近喷口下方的位置风机无法吹到，在0.3 m和0.5 m高度上，距离出风口越远，试验测得的风速越低，而在仿真计算中，同一高度上的风速基本不变，因此，便导致
9、在距离喷口较近的区域仿真与试验非常接近，而距离喷口越远，这个差异就越大，其主要是因为环境舱内转鼓及地面花纹影响边界层的发展，导致后部气流流速较低。图5 试验仿真结果对比2.2 三种环境下汽车车身周围流场差异研究为确定环境舱试验、风洞试验及开放道路试验流场的差异，采用国际标模DriAer模型的Estate车型作为研究对象10，研究了环境舱、风洞和开放道路三种环境下的汽车周围流场分布，均采用 8 m/s的速度输入，其中风洞结构及开放道路边界条件设定采用与文献11相同的方式，计算结果对比如图6所示。图6 三种环境下汽车底部速度沿纵向变化曲线图6中“H5 cm”、“H10 cm”及“H15 cm”表示
10、取样位置距地面高度分别为5 cm、10 cm及15 cm，可以看到在气流接触汽车之前，开放道路测试结果基本与风洞测试结果一致，而环境舱测得速度在三种高度下的结果均远低于风洞和开放道路环境下测得的结果，这是因为环境舱风机的出风口高度为20 cm，高于所有的取点位置。气流在1.2 m位置接触汽车时受前保影响，汽车底部速度增加，如图7所示。但随着气流沿车底盘的发展，受气流分离和车身底板边界层影响，靠近底盘的高度为15 cm位置的风速降低，因此，图6中15 cm高度的风速最低、10 cm高度风速次之、5 cm高度位置风速最高。此外，随着测点高度增加，三种环境下的风速差异减小，主要是由于风机阻塞效应和地
11、面边界层的影响，其中车辆前悬附近的偏差普遍大于车辆后部的偏差，这也主要是受上述气流分离的影响。从图7汽车前保局部放大图可以看出环境舱工况气流分离最严重，因此，图6中15 cm高度位置的风速降低也最快。在前悬位置，环境舱测的风速与风洞和道路条件下相差50%，在汽车底盘中部环境舱与风洞及道路条件下测的风速相差25%，而在汽车尾部相差10%。因此，从对流散热角度来看，汽车底盘前部测点的高低温评价结果与实际测量结果偏差较大，后部区域与其他两种环境下的测试结果相近，其从汽车底盘速度云图（见图8）同样可以清晰得出。图7 三种环境下汽车纵对称面速度矢量云图从图7纵对称截面速度矢量图中车顶速度分布及图8车身上
12、表面速度分布可以看出，在环境舱条件下，前风挡、A柱及后视镜风速明显低于风洞和开放道路条件下的风速。车身纵截面上半部分各测点压力系数分布如图9所示，可以看到环境舱内车顶的压力系数均远高于道路，且均为正压，而在道路及风洞环境中大部分位置为负压，因此，这会大大影响汽车上方的气流速度，从而进一步影响阳光模拟的热辐射速度，影响乘员舱热舒适性的准确评估，但其压力分布趋势一致，表明其流场具有明确的关联性。图8 汽车车身表面附近速度分布图10为汽车纵向剖面和横向剖面在机舱内的流动速度分布图，可以看出环境舱条件下，流入机舱的气流速度也明显低于风洞和开放道路条件下的机舱内风速，特别是穿过下侧格栅的风速远低于风洞和
13、开放道路工况，因此，在散热器前形成两个相对较大的涡结构，可能导致散热器前热量积聚，散热器散热不充分，从而对机舱内部件造成热伤害，影响整车性能。图11为三种环境下散热器前表面平均速度对比，可以看出环境舱条件下散热器表面速度比开放道路条件下低了18%，而风洞条件仅比开放道路条件低5%。图9 车身上部从前至后纵截面处压力系数图10 汽车机舱纵截面和横截面速度分布矢量云图图11 三种环境下散热器前表面平均速度对比综上，可以看出环境舱工况下汽车周围流场在车顶、车底及机舱内均低于风洞和开放道路工况，可能导致机舱、底盘和乘员舱的散热不充分，进而导致汽车的高低温评价不准确，但风洞环境与开放道路结果较接近。当环
14、境舱试验与道路仿真指标存在明显偏差时，可以采用风洞试验验证来替代道路试验验证。3 结论采用数值仿真的方法分析了环境舱、风洞与道路三种环境下车辆周围的流场差异，结果表明，车辆底盘速度与开放道路相比，由前至后偏差逐渐降低。环境舱内车顶压力分布明显不同于风洞和开放道路，利用环境舱进行乘员舱热舒适性性能评估存在明显的不足，但其压力分布具有相同的趋势，存在明确的流场关联性，需积累大量试验数据后逐步建立关联性。环境舱内汽车的机舱散热器进风面平均速度相较于开放道路工况偏低，当环境舱测试结果与设计性能偏差较大时，利用风洞验证具有一定的可靠性。1 环境保护部,科技标准部.中华人民共和国轻型汽车污染物排放限值及测
15、量方法(中国第六阶段):GB 18352.62016S.北京:中国标准出版社,2016.2 Interior Climate Control Committee.Recommended Best Practice for Climatic Wind Tunnel Correlation: SAE J2777S.Washington:SAE,2016.3 LIANG Y Y,WANG D D,CHEN J P,et al.Temperature Control for a Vehicle Climate Chamber Using Chilled Water SystemJ.Applied Th
16、ermal Engineering,2016, 106:117-124.4 LIANG Y Y,HU J C,CHEN J P,et al.A Transient Thermal Model for Full-size Vehicle Climate Cham- berJ.Energy and Buildings,2014,85:256-264.5 徐波,张欢,由世俊.数值模拟优化汽车尾气检测环境仓设计J.节能,2007,26(6):16-19.6 邹亚平,由世俊,张欢.汽车尾气检测仓气流组织的数值模拟研究J.山东建筑大学学报,2007,22(4):329-334.7 ASTORRI F J,SACAMOTO
