李舒雅，宋 昕，劉 政，黃憲波

汽車排放環(huán)境模擬艙與開放道路流場差異分析

李舒雅，宋 昕，劉 政，黃憲波

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車排放環(huán)境模擬艙用于汽車高低溫性能試驗，環(huán)境艙內流場分布對評估汽車性能非常重要。文章采用試驗與數值仿真的方法分析了汽車在某排放環(huán)境模擬艙、風洞和開放道路三種環(huán)境下的流場差異。結果表明，汽車排放環(huán)境模擬艙相對于整車風洞具有明顯的阻塞效應，其對車頂壓力分布、機艙冷卻及底盤流場均有顯著影響，其中機艙內散熱器表面速度相比道路低19%；車輛底盤從前向后的流場速度偏差逐漸減小，前懸附近偏差最大達50%，尾排附近偏差最小為10%。該結果可為利用排放環(huán)境模擬艙評估汽車機艙冷卻性能、乘員艙舒適性能、底盤熱傷害性能提供有益參考。

排放環(huán)境模擬艙；風洞試驗；計算流體動力學；數值仿真；開放道路；流場差異

汽車排放環(huán)境模擬艙早期常用于汽車排放試驗，發(fā)展至今已有規(guī)范的排放試驗室和試驗標準[1]。而汽車高低溫性能試驗主要關注汽車底盤熱傷害、空調熱舒適性及機艙冷卻性能，早期主要采用道路試驗評價的方法，但考慮到道路試驗環(huán)境及試驗成本，目前汽車高低溫環(huán)境試驗大部分也在排放環(huán)境模擬艙內進行，因此，排放環(huán)境模擬艙空間及風機均較小，存在顯著的阻塞效應[2]，且全球輕型車排放測試程序（World Light vehicle Test Procedure, WLTP）規(guī)范對風機的要求主要體現在冷卻方面，并無嚴格的風機位置、尺寸及出流均勻性要求。由此可知，最終的汽車高低溫性能評價結果不確定性較大?，F如今，對汽車性能和開發(fā)成本之間的平衡要求越來越高，汽車排放環(huán)境艙的試驗結果屢受質疑，找出汽車排放環(huán)境模擬艙與道路流場之間的關聯(lián)性，縮小排放模擬環(huán)境艙與道路評價結果差異顯得尤為重要。

目前，國內外對汽車排放環(huán)境模擬艙的研究主要集中于環(huán)境模擬艙內平均溫度的控制[3-4]，對艙內汽車周圍流場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方式和送風參數對排放環(huán)境模擬艙內溫度場的影響，結果表明兩種送風方法和送風參數均能滿足排放試驗要求[5-6]。ASTORRI也通過試驗和仿真的方法研究了排放環(huán)境模擬艙與風洞的流場差異，結果表明汽車前部和底盤的流場可滿足試驗要求[7]。上海大眾及中汽中心均通過試驗測試表明排放環(huán)境模擬艙結果對于機艙冷卻性能有一定的借鑒意義，但對于底盤熱傷害性能評價則偏差較大而不可采用[8-9]。這說明排放環(huán)境模擬艙的結構差異會導致截然不同的試驗結論，一方面揭示出目前行業(yè)內缺少統(tǒng)一用于汽車高低溫性能試驗的排放環(huán)境模擬艙試驗規(guī)范，另一方面也說明建立排放環(huán)境模擬艙與道路關聯(lián)性的重要性和緊迫性。

文章首先建立了環(huán)境艙數值仿真模型，并利用風速傳感器對環(huán)境艙流場進行了試驗驗證，在此基礎上建立了數字風洞和道路仿真模型，對三種環(huán)境下的車輛周圍流場分布差異進行研究，為建立三種環(huán)境下的流場關聯(lián)性提供參考。

1 汽車環(huán)境艙數值計算方法

1.1 汽車環(huán)境艙計算模型

汽車環(huán)境艙內主要結構如圖1(a)所示，通過詳細測量風機幾何輪廓、離地高度、出風口段格柵尺寸，同時忽略對流場影響較小的綁車柱等結構，保留影響較大的陽光模擬結構，建立簡化模型如圖1(b)所示。為保證流場計算結果的分辨率和準確性，在風機和車輛區(qū)域進行了Block1～4四層網格加密，其加密尺度由網格無關性驗證進行確定。

圖1 汽車環(huán)境艙簡化模型

1.2 計算域與網格處理

以風機段的出口和入口作為計算域氣流的入口和出口，試驗風速為8 m/s，入口采用質量流量入口邊界條件，流量以格柵出口速度進行換算，風機回流出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力采用環(huán)境艙內大氣壓，其他壁面均為無滑移壁面條件。

為驗證網格無關性，對網格數量進行不同程度的加粗和細化，網格數量如表1所示，同時監(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個點的速度數據，如圖2所示。

表1 網格無關性驗證方案 單位：萬單元

網格方案網格數量 網格11 120 網格21 480 網格31 860 網格42 350

圖2 網格無關性驗證結果

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

圖3 網格劃分示意

1.3 數值計算方程及求解方法

由于試驗風速遠低于聲速，馬赫數小于0.3，因此，將環(huán)境艙內氣流看作不可壓縮流體，其空氣密度為常數，取1.184 kg/m3，數值計算控制方程為

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。本文研究對象為環(huán)境艙流場特性，環(huán)境艙溫度穩(wěn)定在25°，數值仿真不考慮溫度變化，不計算能量方程。通常環(huán)境艙試驗時，雷諾數高達106，汽車周圍流場屬于高度發(fā)展的湍流流場，采用直接數值模擬方法對網格和計算資源要求非常高，因此，采用廣泛應用的Relizable-湍流模型模擬湍流進行計算。

2 結果分析

2.1 試驗結果驗證

采用葉輪式風速儀測量8 m/s風速工況下無車狀態(tài)時9個位置的風速，試驗測量采用如圖4所示的支撐結構，每次測量記錄60 s內上中下三個位置的風速，并取平均值作為該點測速。

圖4 試驗過程示意圖

計算結果與試驗對比（測點位置與1.2小節(jié)數據一致）如圖5所示，可以看出仿真和試驗結果趨勢基本一致，風速在距離噴口出口位置靠近地面位置的風速最低，這是因為靠近噴口下方的位置風機無法吹到，在0.3 m和0.5 m高度上，距離出風口越遠，試驗測得的風速越低，而在仿真計算中，同一高度上的風速基本不變，因此，便導致在距離噴口較近的區(qū)域仿真與試驗非常接近，而距離噴口越遠，這個差異就越大，其主要是因為環(huán)境艙內轉鼓及地面花紋影響邊界層的發(fā)展，導致后部氣流流速較低。

圖5 試驗仿真結果對比

2.2 三種環(huán)境下汽車車身周圍流場差異研究

為確定環(huán)境艙試驗、風洞試驗及開放道路試驗流場的差異，采用國際標模DriAer模型的Estate車型作為研究對象[10]，研究了環(huán)境艙、風洞和開放道路三種環(huán)境下的汽車周圍流場分布，均采用 8 m/s的速度輸入，其中風洞結構及開放道路邊界條件設定采用與文獻[11]相同的方式，計算結果對比如圖6所示。

圖6 三種環(huán)境下汽車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之前，開放道路測試結果基本與風洞測試結果一致，而環(huán)境艙測得速度在三種高度下的結果均遠低于風洞和開放道路環(huán)境下測得的結果，這是因為環(huán)境艙風機的出風口高度為20 cm，高于所有的取點位置。氣流在1.2 m位置接觸汽車時受前保影響，汽車底部速度增加，如圖7所示。但隨著氣流沿車底盤的發(fā)展，受氣流分離和車身底板邊界層影響，靠近底盤的高度為15 cm位置的風速降低，因此，圖6中15 cm高度的風速最低、10 cm高度風速次之、5 cm高度位置風速最高。此外，隨著測點高度增加，三種環(huán)境下的風速差異減小，主要是由于風機阻塞效應和地面邊界層的影響，其中車輛前懸附近的偏差普遍大于車輛后部的偏差，這也主要是受上述氣流分離的影響。

從圖7汽車前保局部放大圖可以看出環(huán)境艙工況氣流分離最嚴重，因此，圖6中15 cm高度位置的風速降低也最快。在前懸位置，環(huán)境艙測的風速與風洞和道路條件下相差50%，在汽車底盤中部環(huán)境艙與風洞及道路條件下測的風速相差25%，而在汽車尾部相差10%。因此，從對流散熱角度來看，汽車底盤前部測點的高低溫評價結果與實際測量結果偏差較大，后部區(qū)域與其他兩種環(huán)境下的測試結果相近，其從汽車底盤速度云圖（見圖8）同樣可以清晰得出。

圖7 三種環(huán)境下汽車縱對稱面速度矢量云圖

從圖7縱對稱截面速度矢量圖中車頂速度分布及圖8車身上表面速度分布可以看出，在環(huán)境艙條件下，前風擋、A柱及后視鏡風速明顯低于風洞和開放道路條件下的風速。車身縱截面上半部分各測點壓力系數分布如圖9所示，可以看到環(huán)境艙內車頂的壓力系數均遠高于道路，且均為正壓，而在道路及風洞環(huán)境中大部分位置為負壓，因此，這會大大影響汽車上方的氣流速度，從而進一步影響陽光模擬的熱輻射速度，影響乘員艙熱舒適性的準確評估，但其壓力分布趨勢一致，表明其流場具有明確的關聯(lián)性。

圖8 汽車車身表面附近速度分布

圖10為汽車縱向剖面和橫向剖面在機艙內的流動速度分布圖，可以看出環(huán)境艙條件下，流入機艙的氣流速度也明顯低于風洞和開放道路條件下的機艙內風速，特別是穿過下側格柵的風速遠低于風洞和開放道路工況，因此，在散熱器前形成兩個相對較大的渦結構，可能導致散熱器前熱量積聚，散熱器散熱不充分，從而對機艙內部件造成熱傷害，影響整車性能。圖11為三種環(huán)境下散熱器前表面平均速度對比，可以看出環(huán)境艙條件下散熱器表面速度比開放道路條件下低了18%，而風洞條件僅比開放道路條件低5%。

圖9 車身上部從前至后縱截面處壓力系數

圖10 汽車機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比

綜上，可以看出環(huán)境艙工況下汽車周圍流場在車頂、車底及機艙內均低于風洞和開放道路工況，可能導致機艙、底盤和乘員艙的散熱不充分，進而導致汽車的高低溫評價不準確，但風洞環(huán)境與開放道路結果較接近。當環(huán)境艙試驗與道路仿真指標存在明顯偏差時，可以采用風洞試驗驗證來替代道路試驗驗證。

3 結論

采用數值仿真的方法分析了環(huán)境艙、風洞與道路三種環(huán)境下車輛周圍的流場差異，結果表明，車輛底盤速度與開放道路相比，由前至后偏差逐漸降低。環(huán)境艙內車頂壓力分布明顯不同于風洞和開放道路，利用環(huán)境艙進行乘員艙熱舒適性性能評估存在明顯的不足，但其壓力分布具有相同的趨勢，存在明確的流場關聯(lián)性，需積累大量試驗數據后逐步建立關聯(lián)性。環(huán)境艙內汽車的機艙散熱器進風面平均速度相較于開放道路工況偏低，當環(huán)境艙測試結果與設計性能偏差較大時，利用風洞驗證具有一定的可靠性。

[1] 環(huán)境保護部,科技標準部.中華人民共和國輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段):GB 18352.6—2016[S].北京:中國標準出版社,2016.

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[6] 鄒亞平,由世俊,張歡.汽車尾氣檢測倉氣流組織的數值模擬研究[J].山東建筑大學學報,2007,22(4):329-334.

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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，研究方向為汽車風洞試驗與空氣動力學，E-mail:sean@hnu.edu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.029