2017年（第39卷）第4期
汽车工程
A utom otive E ngineering2017(V〇1.39)N〇.4
d oi：10.1956^^j.chinasae.qcgc.2017.04.009
汽车环境风洞的流场数值模拟
梁媛媛1，朱宇骁1，陈江平1，沈宇纲2，张鹏2
(1.上海交通大学制冷与低温研究所，上海200240; 2.上海佐竹冷热控制技术有限公司，上海200120)
[摘要]使用计算流体力学对汽车环境风洞的全风道流场进行模拟。结果表明，使用封闭风道，&n边界条件 模拟风机风压时，喷口出风速度的计算误差最小。湍流模型对计算结果影响较小，而忽略风洞拐角处导流叶片的厚 度，会影响拐角处流动阻力的计算，使喷口速度的计算误差增大。试验段边界层水平抽吸系统的最佳抽吸率在1左右，在相应抽吸量下，试验区域的边界层得到了有效的控制，同时，边界层厚度的数值模拟结果有较高精度。
关键词：环境风洞；流场；数值模拟；边界层；水平抽吸
Numerical Simulation on the Flow Field in Vehicle Climate Wind Tunnel Liang Yuanyuan1,Zhu Yuxiao1 ,Chen Jiangping1 ,Shen Yugang2 &Zhang Peng2
1. Inst. of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240;
2. Shanghai Satake Cool-Heat & Control Technique Co. , Ltd. , Shanghai200120
[Abstract] Flow field in a closed-loop vehicle climate wind tunnel is simulated with computational fluid dy­namics. The results show that when simulating the air pressure ol blower with closed duct and fan boundary condi­tion ,a minimum calculation error ol nozzle outlet velocity can be obtained and turbulence model has little effects on calculation results, while ignoring the thickness of flow-guiding vane may affect the calculation of flow resistance at corner areas, leading to larger calculation error of nozzle outlet velocity. Analyses indicate the optimal suction ratio of boundary layer horizontal suction system is around 1. 0 and under corresponding suction ratio, the boundary layer in test section can get effective control with higher accuracy of numerical simulation on boundary layer thickness.
Keywords：climate wind tunnel；flow field；numerical simulation；boundary layer；horizontal suction
刖言
汽车环境风洞，或称气候风洞，可在任何天气提 供稳定的温湿度和风速试验条件，是汽车空调、发动 机热管理、尾气分析和油耗的重要研究和测试装置。目前，同济大学、泛亚汽车技术中心、上汽集团已建 成汽车环境风洞，天津三电和东风汽车的环境风洞 也在筹建当中，相应的技术研究成为热点。
为提高测试的准确性，近年来，环境风洞对测试 段流场和边界层的要求逐渐提高。风洞的结构对风 洞内流场有很大影响，风道阻力也直接影响风机选 型和运行费用。计算流体力学可以灵活地改变风洞的几何结构和边界条件，开发周期短，成本低，被广 泛运用于风洞的研究中。文献[1]中对风洞全风道
的流场进行模拟，对风机建立三维模型，并采用k-w 湍流模型求解，计算得到的流量和流道阻力与设计 值相吻合。风机性能对叶片形状敏感，而精确的风 机三维模型难以获得，因此大多数研究者在风洞的 数值模拟中对其进行简化。文献[2]中将风洞的风 机段拆除，采用压力进出口条件和标准k-e湍流模 型。文献[3]中采用intake fan和压力出口作为边界 条件模拟风机产生的风压，风道阻力系数的计算误 差在10%以内，速度计算误差在4%以内。文献[4]在模拟中使用了 fan边界条件模拟风机的作用，采 用可实现k-e湍流模型，速度计算的平均误差在
原稿收到日期为2016年5月23日，修改稿收到日期为2016年6月29日通信作者：陈江平，教授，E-mail:jpchen@sjtu.edu 。
2017(Y〇1.39)N〇.4梁媛媛，等：汽车环境风洞的流场数值模拟• 419 •
10%以内。
测试段的边界层对汽车底部冷却和热系统测试 有较大的影响。环境风洞普遍采用垂直抽吸或水平 抽吸系统进行边界层控制[5]。垂直抽吸系统通过地 面的多孔板抽吸靠近地面的低速气流，抽吸方向与 地面垂直；水平抽吸系统则利用喷口和试验段地面
之间的高度间隙抽吸边界层内的气流，抽吸方向与 地面平行。抽吸率为抽吸速度和主流速度之比，抽 吸率过低，无法有效控制下游的边界层厚度，抽吸率 过高，会影响主流流场的气流角度等[6]。目前边界 层抽吸的研究集中在垂直抽吸系统[7—8]，水平抽吸 系统的研究则较少。
本文中采用计算流体力学的方法，根据所研究 的环境风洞建立模型，研究了无车条件下边界条件 和湍流模型对定风压下喷口出风速度计算结果的影 响，同时对边界层水平抽吸系统的抽吸率进行研究，并与试验结果进行比较。
1环境风洞简介
研究对象为上海某新建成的汽车环境风洞。风 洞整体尺寸为37m长，15m高，10m宽。风道内的流 体由轴流式风机驱动，风机直径约4m，转速范围为0〜800r/min。风道的4个拐角处设有整流扇叶。换 热器位于流通面积较大的稳定段，此处流速低，可降 低气流通过换热器的阻力损失，换热器的上游和下 游分别设有数张整流网。喷嘴出口面积为7m2，适 用于200km/h以下风速的模拟。
2全流道流场数值模拟
2.1模型与边界条件
建立了风洞的三维模型，主要包含风洞的流道、风机整流罩、日照模拟装置和拐角处的导流片。为 研究不同边界条件对风洞全风道流场计算的影响，分别建立了两种模型，如图2所示。模型a为闭式 风道，模型b在风机段设立入口边界和出口边界，其 它结构及网格的划分都与模型a相同。使用ANSA 软件生成网格，风机前后的流道使用六面体网格，试 验段等部分使用六面体和四面体混合生成网格。整 个风洞的网格尺寸在20〜100mm之间，总数约为 845万个。
(a)模型a
(b)模型b
图2环境风洞的模型
风道中的换热器和阻尼网与风速的2次方成正 比。换热器会増加风道内的压降，但会提高气流的 均匀性，同时降低气流偏角。换热器在计算中设置 为多孔介质，其黏性阻力和内部阻力的参数设置根 据换热器的试验数据拟合得到。不同风速下换热器 的压降如图3所示。
图3换热器迎面风速与风阻之间的关系
拟合得到的换热器风阻与迎面风速&之间的
关系为
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~a i r= 9. 1^ + 18.0^(1)
阻尼网是一层细密的金属网，模型中采用por­ous jump边界条件。阻尼网的阻力系数 Cp 可根据 开闭比0计算得到[9]:
/3=(1-d/s)2(2)
(1-/3^2
C p= 1.3x(1-,S)+ ^ (3)
V 30
式中d和s为阻尼网网丝的直径和网眼直径。计算 得到阻尼网的阻力系数为1. 128。
使用Fluent软件对流场进行求解。模型a使用 fan边界条件模拟风机的风压，根据现有文献中常用 的湍流模型，分别采用标准可实现和SST
~对不同风压下的喷口出风速度进行计算。模型b 采用压力进出口边界条件和可实现模型。考虑 到拐角处存在逆压梯度和气流分离，使用湍流模型时，壁面处采用非平衡壁面函数。求解方法使 用SIMPLE，离散使用2阶迎风格式。风洞的整流扇 叶，其外沿为半径530mm的1/4圆弧，厚6mm，此处 流动复杂，因此对拐角处的网格加密。此外，风洞整 体尺寸较大，拐角处导流板较薄，一些研究者会在数 值计算中将导流板简化为几何面，不考虑其厚度，本 文中研究同时计算了无厚度导流板的喷口出风速度。
2.2计算结果与分析
最终的收敛残差在10-3量级，计算得到的喷口 平均风速见表1。使用模型a时，须设置fa n的风 压，它由风机转速和试验测得的风量查询风机性能 曲线得到。使用模型b时，人口须设置全压，全压为 风压与测得风量下计算得到的人口面动压之和。
(1)湍流模型的影响
对于全风道封闭模型，使用fan边界条件模拟 风机压升，计算得到的喷口出风速度误差为0. 3% ~ 5. 1%，误差随着风机压升的提高有增大的趋势，湍 流模型对计算结果影响很小。
(2)边界条件的影响
模型a和模型b分别采用不同的边界条件模拟 风机的作用，在相同的湍流模型和壁面函数下，使用 压力
进出口边界条件计算得到的误差为4.0% ~ 7. 2%，比使用fan边界条件计算的误差高2%左右。两种边界条件计算得到的风道中间截面的速度云图 见图4。气流在风道内流动时，受到离心力作用，流 道外侧的速度大。如果使用压力进出口条件时，进 口的全压和出口的静压在风道横截面上为常数，即进口处的速度均匀分布，与实际情况不符而影响下 游的速度和压力分布的计算结果，这是造成喷口出 风速度计算差别的主要原因。
(a)fan边界条件
(b)压力进出口
表1不同风压下的喷口出风速度
风速/
湍流模型风压；人口全压/P a
误差/%
(km . h-1)425;570930;12582520;3425
标准Ax80.7123.8209.90.9~5.0模型a可实现80.2123.2210. 10.3~5. 1 SST k-w80.8123.3209.6  1.0~4.8模型a，导流
片无厚度
可实现84.6128. 1216  5.7~8.0模型b可实现k-fi83.2127. 3214.4  4.0~7.2实际运行80120200-由表可见，计算得到的喷口速度均偏大，这表明 模型对风道内气流阻力的计算值偏小。根据不同模 型计算结果的比较，得出以下结论。
图4风道纵截面速度云图
(3)导流片厚度的影响
计算显示，如果忽略导流片厚度，喷口速度误差 最大为8. 0%，比考虑导流片厚度要高3%左右。试 验段下游的拐角流速高，截面面积小，流阻较大。计 算发现，忽略导流叶片厚度时，此处流阻相对于拐角 人口面动压的阻力系数从1. 59下降为1. 10，降低了 30. 8%。
因此，使用数值计算对风洞全风道的流阻或定 风压下的喷口风速进行预测时，建议使用封闭风道 模型，并使用fan边界条件模拟风机风压，同时考虑 拐角导流片的厚度。
为研究风洞各段的气流压力损失，
在风道内沿
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流动方向取13个点（见图1)。风压2 520P a下的相 对静压分布的计算值与设计静压的对比见图5 (a)。图5( a)为可实现模型的计算结果，其它湍流模 型的计算结果与之相近。静压分布计算结果与设计 值基本一致。
不同风速下的风道全压损失的可实现模型计算结果见图5(b)，风洞的稳定段有换热器和阻尼 网，在200km/h下，换热器的压降约为950Pa，稳定 段的压降占总阻力损失的50%左右，因此稳定段的 压力损失最大，其次是试验段和4个拐角，扩压段和 收缩段的压力损失相对较小。
(a)静压分布
压力点
(b)全压损失
图5风道内静压分布和全压损失
3边界层水平抽吸系统的研究
3.1边界层建模
喷口段长4m，水平抽吸口距离喷口 1m，抽吸口 照片见图6。二维流动中沿流动方向的湍流边界层 厚度计算式为
8= 0.37l/Re0° 2(4)汽车风洞
式中:/为与抽吸口的距离；办，为基于/的雷诺数。若主流速度为90〜200km/h，计算得到抽吸口处的 边界层厚度为65〜76mm，湍流边界层内的速度与高度之间的关系为
^a= (J/8)1 (5)
式中:7为距离地面的距离;〃a和I分别为该处的气 流流速和主流速度;〃与雷诺数有关，在7〜9之间。取几为8，若y/8 = 0. 1，流体速度为主流速度的74%，当y/8 = 0.5时，气体流速可达到主流速度的90%以上。可见，边界层中部的流体速度已接近主流速度。抽吸装置只需将靠近地面的低速气流完全抽走，因此抽吸口高度不必与边界层高度相同。
图6边界层水平抽吸口
由于汽车风洞总体尺寸较大，试验段长度达到 20m，抽吸口高4cm，边界层的尺寸仅为10cm多，因
此计算中只选取了喷口段、测试段和回收段建立模 型，见图7。模型在距离试验段地面300mm的范围 内对垂直方向上的网格进行加密，第1层网格高度 为0.8mm，竖直方向上的增长率为1.08。剩余区间 也多采用结构化网格，总体网格数目达到910万个。边界层内的雷诺数低，因此选用SST 湍流模型，喷口边界条件为速度入口，试验段出口和抽吸口设 置压力出口，计算中通过调节抽吸口的背压调节抽 吸速度。
图7边界层计算模型
3. 2边界层的CFD计算结果及与试验的对比
设置速度入口为150km/h，回收段的出口压力 为0，分别计算了无抽吸、抽吸口背压为0，-200, -400，-600和-800P a下的边界层厚度。在不同的 抽吸口背压下，沿流动方向的边界层厚度如图8
所示。
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图8不同抽吸背压下的边界层厚度
不同背压下的抽吸口平均风速和抽吸率见表
2。喷口长2.75m，宽2.55m，表2中同时列出了喷
口下游2.63m处中心线位置的气流偏角计算值。
表2不同抽吸背压下的抽吸风速和抽吸率
抽吸背压/P a0-200-400-600-800
抽吸速度/(m• S-1)11.0729.4736.6441. 3244.99抽吸率0. 270.710. 880.99  1.08
抽吸比例/%0. 28  1.09  1.40  1.59  1.75
抽吸量/(m3 . s-1)0. 82  3. 17  4.09  4.66  5. 10
气流偏角/(°)0. 260. 230. 220. 200. 19
抽吸比例为抽吸风量占总风量的百分比。计算 结果显示，随着抽吸背压的下降，抽吸速度和抽吸量 逐渐增大，下游边界层厚度也逐渐降低。当抽吸背 压由-600降低到-800P a时，抽吸率由0.99增加到 1.08，而对下游边界层厚度的影响已经非常小。喷 口中心线上的气流角度随抽吸量的增大也有降低的 趋势，但总体影响不大。在背压为0和-600P a下，抽吸口的速度云图见图9。
在0抽吸背压下（图9(a))，抽吸率为0.27，抽 吸量不足，无法将低速气流完全抽走，低速气流越过 抽吸
口后边界层迅速发展。如果抽吸量合适，将低 速气流完全抽走，则可有效降低下游的边界层厚度。由于环境风洞对试验段静压梯度等指标要求较低，故只考虑下游边界层厚度和气流角度等，最终确定 最佳抽吸率为1左右，此时抽吸量约占喷口总流量 的 1.59%。
由Fluent的计算结论，对抽吸系统中的风机转 速进行设置。水平抽吸系统通过调节离心风机的转 速改变抽吸量。离心风机的最大风量可达到39 000m3/h，转速在0~939r/min之间。标定抽吸系
(b)背压为-600Pa
图9抽吸口速度云图
统抽吸量占总流量的1•55% ~1 •65%。设置喷口风 速为90，150和200km/h，在距离抽吸口（下游方向）1.3,2.2,4.34和6.47爪处测试边界层厚度。其中 抽吸口下游1.3m处约为车前端位置，2.2m处为前 驱动轮的位置，6.47m则处于车尾部位置。测量装 置如图10所示。装置距离地面1m处设有风速管，用于主流风速的测量，下方为外径1m m的皮托管 排。皮托管沿地面法向排列，靠近地面的地方管间 距较小，远离地面的地方间距逐渐增大，皮托管口对 准来流方向，背部设有皮托管测量静压。由测得的 压力可计算得到各点的气流速度，将竖直方向上主 流速度99%的地方作为附面层的边界得到边界层厚 度。除边界层厚度外，风洞一般对边界层位移厚度 <T也有要求，《T需要由测量或者CFD得到的边界层
图10
边界层厚度的测量