某SUV車型機艙流場CFD仿真驗證

楊 麗，石慶松，魏 宏

Yang Li，Shi qingsong，Wei Hong

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

某SUV車型機艙流場CFD仿真驗證

楊 麗，石慶松，魏 宏

Yang Li，Shi qingsong，Wei Hong

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

為建立具有工程開發(fā)可信度的整車發(fā)動機艙流場計算模型，精確模擬發(fā)動機艙內(nèi)流場分布，制定了 5種CFD空氣流場仿真與整車風洞試驗對比方案，得到不同方案下模型的計算精度，根據(jù)分析對模型及邊界設置進行調(diào)整，最終方案誤差在3%以下，滿足工程應用要求，模型可用于發(fā)動機艙流場模擬。

CFD；發(fā)動機艙；流場；模型驗證；STAR-CCM+

0 引 言

CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）仿真技術廣泛應用于汽車的設計開發(fā)中。作為一種虛擬試驗技術，計算模型的準確性直接關系到結(jié)果的精確度和工程應用中的可信性。利用STAR-CCM+軟件搭建模型對某國產(chǎn)SUV車型發(fā)動機艙流場進行模擬，并通過整車熱環(huán)境風洞測得相關數(shù)據(jù)進行驗證，得到具有工程應用可信度的發(fā)動機艙流場計算模型。

1 風洞試驗

1.1 試驗設施

試驗在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的熱環(huán)境整車風洞中進行，風洞主要技術參數(shù)為：

駐室尺寸：20 m × 13 m × 8 m；

噴口尺寸/面積：3.05 m × 2.25 m / 7 m2；

最大風速：200 km/h；

溫度范圍：-20~55 ℃；

濕度范圍：RH 5%～95%。

1.2 車輛前端模塊測點布置位置圖

前端16個測速扇測點布置如圖1所示（從車后往車前看）。

圖1 前端風速測點布置圖

1.3 試驗條件與試驗結(jié)果

試驗條件見表1。

表1 風洞試驗條件

各工況散熱器前平均風速試驗結(jié)果見表2。

表2 散熱器前平均風速試驗結(jié)果

2 仿真計算

2.1 基本控制方程

汽車發(fā)動機艙內(nèi)流場一般視為定常、三維不可壓縮流場，因此可假設其流動過程為穩(wěn)態(tài)湍流。將流體視為由連續(xù)分布的無數(shù)流體微團構成，其滿足連續(xù)性方程、N-S方程及能量守恒方程。

式中，ρ為流體密度，V為速度向量，?為哈密頓算子。

式中，P為作用在流體微團表面的壓力；fx，fy，fz為作用在x，y，z方向上的體積力；τxx，τyy，τzz為流體微團之間相互作用的正應力；τyx，τzx，τxy，τzy，τxz，τyz為流體微團之間相互作用的剪切應力。

2.2 幾何模型

為保證計算結(jié)果精度，數(shù)模幾何清理中僅對部分零部件進行簡化，主要是對車身縫隙平面化、去除部分線束和雨刮器等車身外部特征。數(shù)模包括車身A面、格柵、車輪和發(fā)動機艙內(nèi)結(jié)構等，模型外觀如圖2所示。

圖2 仿真模型數(shù)模

2.3 計算域建立及網(wǎng)格劃分

仿真風洞尺寸為35 m ×12 m × 8 m，與整車對比效果如圖3所示。

圖3 仿真風洞

為提高計算精度、計算穩(wěn)定性和收斂性，對各換熱器和格柵等區(qū)域進行不同程度的細化，并在整車和地面劃分層網(wǎng)格，以模擬邊界層現(xiàn)象，層數(shù)為 2，增長率為 1.15。使用 STAR-CCM+中Trim網(wǎng)格形式，體網(wǎng)格數(shù)量為2 600萬左右。機艙位置網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 機艙位置中截面網(wǎng)格

2.4 邊界條件

流體部分，環(huán)境溫度40 ℃，空氣密度1.128 kg/m3，粘度1.91×10-5Pa.s。

對于車身、車輪以及車身正下方地面采用非滑移壁面，劃分邊界層網(wǎng)格；對于仿真風洞兩側(cè)、頂部采用滑移壁面；車身前超過2 m的地面采用滑移壁面。

本車型中涉及的換熱器包括散熱器、冷凝器、中冷器和油冷器，采用多孔介質(zhì)模型來模擬氣流在其厚度方向的壓降。慣性阻尼系數(shù)和粘性阻尼系數(shù)通過圖 5中散熱器性能曲線擬合得出。散熱器、冷凝器、中冷器和油冷器的孔隙率分別為82%、82.2%、47.8%和68.7%。

散熱風扇采用 MRF（Moving Reference Frame，旋轉(zhuǎn)參考坐標系）方式處理，轉(zhuǎn)速根據(jù)風扇測試轉(zhuǎn)速進行設置，數(shù)值見表2。

圖5 各換熱器性能曲線

2.5 分析方案及工況

考慮如下幾個因素對計算結(jié)果的影響：

1）測試扇框架對流場的影響；

2）空氣流速的測試及計算方法對多孔介質(zhì)參數(shù)的影響；

3）換熱器孔隙率對流場的影響；

4）模型中風扇轉(zhuǎn)速對流場的影響。

經(jīng)分析，設計 5種方案依次進行仿真計算，見表3。

表3 仿真計算方案

3 結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

對仿真模型進行穩(wěn)態(tài)流場計算，經(jīng)計算第2 000步計算結(jié)果已經(jīng)收斂。

為保證仿真結(jié)果與試驗結(jié)果監(jiān)測位置的一致性，在每一個測速扇位置分別建立監(jiān)測面，共計16個監(jiān)測面，則散熱器前平均風速為16個監(jiān)測面的速度平均值。各方案模擬結(jié)果與試驗值對比見表4。

由表4可得：

1）對比方案1和方案2可知：加入測速扇框架后仿真誤差降低，為提高仿真分析精度，計算模型應與試驗車輛狀態(tài)保持一致，在后續(xù)仿真計算中應該加入測速扇框架模型；

表4 各方案模擬結(jié)果與試驗值對比

2）對比方案2和方案3可知：試驗數(shù)據(jù)修正后仿真誤差降低，為提高仿真分析精度，后續(xù)分析方案采用試驗數(shù)據(jù)修正后的多孔介質(zhì)模型；

3）對比方案3和方案4可知：軟件中設置孔隙率與否，對計算結(jié)果無影響；

4）對比方案4和方案5可知：設置風扇轉(zhuǎn)速后，仿真誤差降低到5%以內(nèi)，滿足工程需要。

綜上所述，為提高仿真分析精度，仿真分析條件必須與試驗條件一致。

3.2 修正模型驗證

根據(jù)上述分析，對模型及軟件設置進行修改，對各工況下發(fā)動機艙流場進行模擬，并與風洞試驗值進行對比，驗證模型準確性。模擬工況見表5。

表5 模型驗證工況

各工況下模擬結(jié)果及試驗值如圖 6中曲線所示。

由圖中曲線可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，經(jīng)計算誤差均小于3%，小于工程誤差，滿足工程需要。

3.3 風洞結(jié)構驗證

為使仿真邊界條件與試驗邊界條件保持一致，對仿真邊界條件設置進行修改，見表6；將仿真風洞噴口調(diào)整為3.05 m × 2.25 m，調(diào)整后模型如圖7所示。對 6個模型驗證工況進行求解收斂后，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖8所示。

圖6 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比曲線

表6 壁面條件設置

圖7 同濟大學風洞大小仿真噴口

圖8 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比圖

由圖8可得，基于原始網(wǎng)格劃分策略，在改變邊界條件后，各測試工況下，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，誤差均小于3%，小于工程誤差，滿足工程需要。

圖9 仿真誤差率對比

由圖9可得，在仿真模型邊界條件與試驗條件保持一致后，除風速在40 km/h時誤差有所增加外，其余各工況仿真誤差均降低；因此，仿真模型邊界條件與試驗條件一致性越好則仿真誤差越小。

4 結(jié) 論

制定了幾種發(fā)動機艙流場計算模型方案，并與同濟大學熱管理風洞試驗結(jié)果進行對比，通過分析得出以下幾方面結(jié)論：

1）試驗中的測試儀器對所測物理量的影響應該予以考慮，如試驗中的測試扇框架對散熱器前流速產(chǎn)生了影響。

2）對具有多孔性的模擬項目，STAR-CCM+軟件中有孔隙率選項。通過驗證，此處設置對模擬結(jié)果的影響可以忽略。但可以將多孔性的影響體現(xiàn)在空氣流速度計算中，修正后的多孔介質(zhì)模型精度有所提高。

3）風洞試驗中，風扇處于自由狀態(tài)（被動旋轉(zhuǎn)）。通過驗證，模擬計算中應該對風扇模型設置相應轉(zhuǎn)速。

4）計算模型及邊界條件設置應盡量與試驗條件保持一致。

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U461.1: U463.83+3

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.011

1002-4581（2017）01-0039-04

2016? 06? 16