摘要：針對目前環(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，對比分析了移動地面對車輛冷卻系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞試驗的影響。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)動機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運動，氣流在路面上沒有邊界層，為了在風(fēng)洞試驗中正確模擬移動地面，目前在氣動聲學(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]曾指出在對車輛冷卻系統(tǒng)進行風(fēng)洞試驗研究時，只需精確模擬車輛前端的外部流場即可，但是隨著對冷卻系統(tǒng)需求的不斷提升，需要考慮移動地面以及輪胎轉(zhuǎn)動。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[6]，而普遍缺少對移動地面的模擬。由于在乘用車中，流經(jīng)冷卻模塊的氣流一般由發(fā)動機艙底部流出，因而車身底部流場的變化勢必會對冷卻系統(tǒng)試驗的結(jié)果造成影響，文獻[7,8]通過對比地面模擬對車身外部流場的影響，發(fā)現(xiàn)由于地面邊界層的存在，使得車輛前端駐點位置發(fā)生變化，由此改變了冷卻模塊前方的流場分布，同時發(fā)現(xiàn)通過車身底部的空氣質(zhì)量流量減少，進而影響到通過散熱器的冷卻空氣流量，但文中并未對此影響給出具體的量化結(jié)果。目前關(guān)于地面模擬對車輛氣動試驗的影響研究較多[9-11]，而關(guān)于移動地面對環(huán)境風(fēng)洞中冷卻系統(tǒng)試驗的影響研究較少，故本文基于數(shù)值仿真技術(shù)研究移動地面對冷卻系統(tǒng)風(fēng)洞試驗的影響。

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車細節(jié)，忽略發(fā)動機艙中對流場影響較小的組件，如輸電線、螺栓等，圖 1 所示為該車的冷卻模塊、發(fā)動機艙以及車身底部視圖。數(shù)值計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)通過單體測試數(shù)據(jù)擬合得到。

計算域參照同濟大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞進行創(chuàng)建，該風(fēng)洞為開口式風(fēng)洞，包括收縮段、噴口、試驗段、駐室、收集口以及擴散段，車輛前端距離噴口為 1.7m（參照實車試驗布置），為避免出口邊界出現(xiàn)回流，進而影響計算穩(wěn)定性，需要對擴散段進行延長，文中擴散段取 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)洞試驗過程中是在轉(zhuǎn)鼓上運行，因此需要在模型中設(shè)置車輪旋轉(zhuǎn)。為模擬移動地面，本文采用單移動帶形式，圖 2 所示為計算域的幾何模型以及所采用的單移動帶。

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，并對發(fā)動機艙、車身底部等關(guān)鍵區(qū)域進行加密，最終劃分的體網(wǎng)格數(shù)目約為 2500 萬。

1.2 模型驗證

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

2 結(jié)果分析

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

2.1 冷卻模塊空氣側(cè)流場分布

車輛運行過程中，發(fā)動機所產(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)的流場分布決定了其換熱性能。圖 5 所示為 120km/h 下發(fā)動機艙對稱面上的速度分布云圖，整體來看，移動地面的使用并未改變發(fā)動機艙的流場分布，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，相對于固定地面工況，移動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 散熱器進氣流量對比

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，散熱器的進氣流量隨著迎風(fēng)風(fēng)速的增加而增加，且相對固定地面工況，移動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

為分析移動地面對車身底部流場的影響，提取 120km/h 下車身底部對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 處對應(yīng)車輛前端駐點位置，B 處對應(yīng)發(fā)動機護板后沿位置，C 處對應(yīng)發(fā)動機艙防火墻位置。由圖可以看出，在近地面處（H<0.05m），移動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減?。粚?yīng) H>0.05m 時，A 和 B 處的速度并未有顯著變化，而對應(yīng) C 處，移動地面工況下的速度有明顯的提升。

2.4 發(fā)動機艙出口壓力分布

提取發(fā)動機艙冷卻氣流出口截面上的壓力分布進行分析，如圖 8 所示，在移動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)動機艙冷卻氣流出口壓力下降的原因在于移動地面的引入，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，但對比表 2 可以看出，靜壓降幅的增加并沒有對通過散熱器的進氣流量產(chǎn)生顯著影響。

3 結(jié)論與展望

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

a) 環(huán)境風(fēng)洞在引入地面模擬后，發(fā)動機艙流場分布變化不大，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)動機艙冷卻氣流進出口壓差，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，地面模擬對車輛冷卻系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)洞試驗存在一定的影響。

此外，本文僅考慮移動地面對冷卻系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)洞試驗的影響，為進一步擴展本文的研究成果，有必要研究切向吹氣或邊界層抽吸與移動地面對環(huán)境風(fēng)洞試驗的綜合影響。