電動(dòng)車格柵進(jìn)氣量仿真分析及試驗(yàn)對(duì)比

孫逸昊，付 森

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津 300462)

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 模型建立

建立與實(shí)車尺寸比例相同的三維實(shí)車數(shù)字模型，并保留機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵零部件。該車輛模型劃分為7大系統(tǒng)，分別為：動(dòng)力系統(tǒng)、白車身系統(tǒng)、保險(xiǎn)杠及進(jìn)氣格柵系統(tǒng)、高壓電動(dòng)力電池系統(tǒng)、低壓電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)系統(tǒng)、冷卻及空調(diào)系統(tǒng)[1]。對(duì)關(guān)鍵位置和重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密(如進(jìn)氣格柵處、換熱器之間的間隙等)。同時(shí)為減少模型網(wǎng)格數(shù)量，將對(duì)于格柵進(jìn)氣量影響小的零部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化刪除處理(如焊點(diǎn)、螺栓及小直徑管路等)，并對(duì)車身后部采用大尺寸網(wǎng)格進(jìn)行建模。

試驗(yàn)實(shí)車模型與仿真數(shù)字模型比較如圖1—圖6所示。

圖1 實(shí)車?yán)鋮s模塊正面圖Fig.1 Front view of cooling module of a real car

圖2 仿真模型冷卻模塊正視圖Fig.2 Front view of cooling module of a simulation model

圖3 實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)艙俯視圖Fig.3 Vertical view of real engine room

圖4 仿真模型發(fā)動(dòng)機(jī)艙俯視圖Fig.4 Vertical view of simulation model of the engine room

圖5 實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)艙仰視圖Fig.5 Elevation view of real engine room

圖6 仿真模型發(fā)動(dòng)機(jī)艙仰視圖Fig.6 Elevation map of the simulation model engine room

CFD仿真模型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部主要零部件及其相應(yīng)位置均與試驗(yàn)實(shí)車一致。

本次仿真計(jì)算通過(guò)對(duì)比原型車CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。改款車與其原型車格柵開口形狀及冷卻模塊相對(duì)位置關(guān)系如圖7、圖8所示。

1.2 基本控制方程

圖7 改款車格柵及冷卻模塊示意圖Fig.7 Schematic diagram of the modified grille and cooling module

圖8 原型車格柵及冷卻模塊示意圖Fig.8 Schematic diagram of prototype grille and cooling module

針對(duì)本次分析工況，空氣的流動(dòng)速度較低(小于0.3倍馬赫數(shù))，因而空氣密度變化不大，可以近似視為常數(shù)。所以此次仿真可以使用三維不可壓縮流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬。由于仿真模型為實(shí)車模型，機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，空氣粘度低，雷諾數(shù)大于 2,300，流體域主流區(qū)呈湍流現(xiàn)象，各控制方程如下所示[2]。連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)：

式中：p為有限元體積所受壓力，下標(biāo) x、y、z為坐標(biāo)分量，U表示速度矢量。

選取k?ε湍流模型，將小尺度湍流現(xiàn)象使用雷諾時(shí)均化處理 Navier-Stokes方程，引入新的變量項(xiàng)(雷諾應(yīng)力項(xiàng))。為使求解方程組封閉，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上使用雷諾應(yīng)力方程假設(shè)，方程如下：

湍流動(dòng)能k方程：

湍流動(dòng)能耗散率ε方程：

式中：k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，為湍流有效黏性系數(shù)，ρ為空氣密度，表示湍動(dòng)能有效擴(kuò)散系數(shù)，表示湍動(dòng)能黏性耗散率有效擴(kuò)散系數(shù)。

2 三維模型計(jì)算域邊界條件設(shè)置及體網(wǎng)格生成

2.1 風(fēng)洞模型及風(fēng)洞邊界條件

計(jì)算域參照FTRD環(huán)境風(fēng)洞(以下稱FTRD-WT)進(jìn)行創(chuàng)建，該風(fēng)洞為開口式環(huán)境風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)室照片如圖9所示。

仿真計(jì)算時(shí)主要對(duì)其噴口、試驗(yàn)段和收集口進(jìn)行建模，車輛模型前端距離噴口1.24,m(參照實(shí)車試驗(yàn)條件進(jìn)行布置)。入口邊界條件設(shè)為速度入口邊界，出口邊界設(shè)為壓力出口邊界，數(shù)字風(fēng)洞壁面及模型表面設(shè)為固定壁面邊界。風(fēng)洞模型及與仿真試驗(yàn)車擺放位置如圖10所示。

圖9 FTRD試驗(yàn)環(huán)境風(fēng)洞Fig.9 Real wind tunnel for FTRD test

圖10 FTRD環(huán)境數(shù)字風(fēng)洞Fig.10 Digital wind tunnel for FTRD test

圖11 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字風(fēng)洞Fig.11 Standard digital wind tunnel

為了對(duì)比分析不同數(shù)字風(fēng)洞對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字風(fēng)洞(以下稱 SD-WT)模擬車輛在正常道路上的行駛狀態(tài)。風(fēng)洞模型及車輛擺放位置如圖11所示。

2.2 冷卻模塊及風(fēng)扇模型建模方法

百葉窗式汽車散熱器及冷凝器采用多孔介質(zhì)模型模擬其厚度方向的壓力降。通過(guò)測(cè)量流經(jīng)散熱器的空氣流速與壓力損失，擬合曲線后得出該換熱器的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)[3]。多孔介質(zhì)阻力系數(shù)方程如下：

式中：α?1為粘性阻力系數(shù)，C2為慣性阻力系數(shù)，v為?z方向流體流速。

風(fēng)扇模型使用 MRF(Multiple Reference Frame)方式模擬風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)[4]，本次仿真工況均模擬風(fēng)扇以高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置為2,400,rpm。

2.3 模型網(wǎng)格劃分

使用Star CCM+進(jìn)行模型幾何清理和網(wǎng)格劃分，整個(gè)計(jì)算流體域采用 Trim 網(wǎng)格方式生成體網(wǎng)格，對(duì)關(guān)鍵位置和流動(dòng)變化大的區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的加密域，保證重點(diǎn)部位(如保險(xiǎn)杠進(jìn)氣格柵處)的幾何特征。在車輛幾何模型表面設(shè)置 2層邊界層網(wǎng)格。整體網(wǎng)格尺寸2～512,mm，總網(wǎng)格數(shù)量1,300萬(wàn)左右。

3 計(jì)算結(jié)果分析

風(fēng)速?gòu)?～60,kph，每間隔10,kph設(shè)置一個(gè)等速計(jì)算工況，共7個(gè)工況。在0,kph怠速工況時(shí)，給定一個(gè)極小的入口速度進(jìn)行仿真，保證計(jì)算迭代收斂。

3.1 原型車仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

表1所示為原型車在7種速度工況下，冷凝器前通風(fēng)量的CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果顯示冷凝器通風(fēng)量隨車速變化的趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果保持一致；原型車?yán)淠魍L(fēng)量 CFD仿真結(jié)果整體比試驗(yàn)結(jié)果偏小，原型車仿真結(jié)果偏小6%,以內(nèi)，見圖12。

表1 原型車的冷凝器通風(fēng)量 CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Comparison of CFD simulation results and test results of the condenser ventilation volume of the prototype vehicle

圖12 原型車仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.12 Comparison of simulation results and test results of prototype vehicle

3.2 不同風(fēng)洞模型仿真對(duì)比結(jié)果

如表2所示，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字風(fēng)洞模型中的 CFD仿真結(jié)果比在FTRD風(fēng)洞模型中的CFD仿真結(jié)果偏小1%,左右。

表2 原型車在不同數(shù)字風(fēng)洞中冷凝器通風(fēng)量仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparison of air flow simulation results of condenser in different digital wind tunnels of prototype vehicle

3.3 改裝車與原型車仿真對(duì)比結(jié)果

如表3所示，對(duì)比改款車與原型車在FTRD風(fēng)洞模型中的仿真結(jié)果，在所有工況下，改款車的冷凝器通風(fēng)量均比其原型車的通風(fēng)量大，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 改裝車與原型車?yán)淠魍L(fēng)量仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.3 Comparison of ventilation simulation results between the modified vehicle and the prototype vehicle condenser

3.4 冷凝器前風(fēng)速分布分析

冷凝器前風(fēng)速分布也是影響冷凝效果的重要因素。在怠速工況下(0,kph)，改款車與其原型車風(fēng)速分布基本一致，冷凝器的通風(fēng)動(dòng)力完全由冷卻模塊中的風(fēng)扇提供。冷凝器與風(fēng)扇重疊位置的通風(fēng)量相對(duì)較大。當(dāng)車輛在高速工況行駛時(shí)(如 60,kph)，冷凝器的通風(fēng)動(dòng)力一部分由風(fēng)扇提供，一部分為車輛行駛過(guò)程中風(fēng)強(qiáng)制通過(guò)保險(xiǎn)杠格柵后進(jìn)入冷凝器，所以此時(shí)格柵開口形狀和風(fēng)扇作用共同影響冷凝器風(fēng)速分布。

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

表4中A車表示原型車，B車表示改款車。試驗(yàn)結(jié)果表明，改款車與原型車的動(dòng)力總成各零部件冷卻結(jié)果相近，且都滿足整車?yán)鋮s性能要求。

表4 改裝車與原型車?yán)淠魍L(fēng)量仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.4 Comparison of ventilation simulation results between the modified vehicle and the prototype vehicle condenser

5 結(jié)論及展望

本文基于 Star CCM+對(duì)某純電動(dòng)車及其原型車機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維 CFD仿真計(jì)算，同時(shí)就冷凝器前通風(fēng)量與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，并使用不同仿真數(shù)字風(fēng)洞驗(yàn)證在風(fēng)洞中的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際道路中的差異，最后通過(guò)實(shí)車?yán)鋮s性能試驗(yàn)驗(yàn)證改款車?yán)鋮s性能，得出以下結(jié)論：CFD仿真精度可以滿足分析要求，原型車?yán)淠魍L(fēng)量仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)相比精度為95%,；對(duì)比不同數(shù)字風(fēng)洞中仿真結(jié)果的差異后，使用FTRD數(shù)字風(fēng)洞模型進(jìn)行 CFD仿真，其計(jì)算結(jié)果可以滿足要求，偏差在 1%,左右；改款車格柵正投影面積在減小 12%,的情況下，冷凝器通風(fēng)量仍不小于原型車?yán)淠魍L(fēng)量，滿足設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)；通過(guò)環(huán)境風(fēng)洞實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，改款車滿足整車?yán)鋮s性能要求。