汽车环境风洞地面区域流场数值仿真

李建，张长平，许翔，王丹，张艺伦，牟连嵩

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

随着汽车产业的发展，汽车测试任务不断增长。汽车环境风洞可以精确模拟汽车试验所需的极端环境条件，真正实现汽车全气候环境试验，已经成为汽车研发中必不可少的试验设备。地面边界层作为评价风洞地面流场品质的重要指标，一直受众多研究者所关注。地面边界层的存在会对风洞试验结果的准确性造成一定程度的影响。陈军等[1]研究发现，地面边界层会使通过车底的气流通量减少，造成车轮等车辆部件的力矩损失，从而使空气动力学测量产生误差。Wiedemann等[2]通过对比不同抽吸率下阻力测试的结果，得出边界层抽吸装置会改变车前部的静压梯度，影响阻力测试的结果。梁媛媛[3]通过总结得出，当边界层位移厚度大于车底与地面高度的8.5%时，会影响汽车的风阻、气动升力和俯仰力矩等空气动力学性能。王宏朝等[4]通过数值模拟发现，边界层的存在还会使得通过散热器的冷却空气质量流量发生变化。为消除地面边界层的影响，目前在风洞中逐渐普及了地面模拟系统。Klemin[5]在1930年首次采用移动地板的方法模拟了地面效应，并取得了成功。丁宁等[6]通过对移动带系统进行数值模拟得出，移动带自身空转也会产生升力，升力会随来流速度的增加而有所增大，移动带自身产生的升力可使实验车辆升力增加27%。张英朝等[7]研究发现，移动带和垂直抽吸装置均能有效地降低地面边界层的厚度，改善地面附近区域的流场，同时使用这两种装置可以获得对地面边界层的最佳控制。汽车车轮对汽车空气动力学特性有重要的影响。方健等[8]通过对车轮的旋转进行模拟，发现车轮旋转运动会改变车轮周围和汽车尾部的流场结构，引起气动特性的显著变化。黄海波等[9]使用旋转壁面技术对车轮转动进行了模拟，结果表明，气流在轮胎-轮罩间隙中存在相汇区，并形成涡流，气流主要从相汇处溢出，对汽车外流场产生一定的影响。

目前，关于风洞地面流场的研究主要集中在地面边界层厚度对汽车风洞试验的影响，以及如何降低地面边界层厚度，尚没有关于汽车环境风洞中底盘测功机对地面流场影响的研究。底盘测功机安装于风洞地面，在试验时会对车轮及底盘附近的流场造成影响，进而影响整车流场。本文采用数值仿真的方法，研究了汽车环境风洞的抽吸率及边界层厚度，分析了底盘测功机对汽车环境风洞地面流场的影响规律，为进一步探究汽车环境风洞中底盘测功机和车轮旋转共同作用对汽车外流场的影响奠定了基础。

1 汽车环境风洞简介

本文研究对象为某汽车环境风洞，如图1所示。风洞试验段长为13.59 m，宽10 m，高7.5 m，试验段内配备有底盘测功机和全光谱阳光模拟装置。风道内主风机直径为4.75 m，最大转速为550 r/min。换热器位于稳定段，其附近设有阻尼网，用于均匀气流。风洞主喷口宽3.3 m，高2.5 m，喷口面积为8.25 m2，对应喷口最大风速为250 km/h。

图1 汽车环境风洞Fig.1 Schematic diagram of automotive climate wind tunnel

2 数值模型及验证

2.1 数值模型概述

风洞三维模型参照某汽车环境风洞设计图纸进行创建，选取汽车环境风洞的稳定段、收缩段、喷口、试验段、收集口和扩散段建立计算域，汽车环境风洞计算域模型如图2所示。试验段内保留底盘测功机、全光谱阳光模拟装置、固定支架、照明灯等所有内部结构。环境风洞计算域模型各区域面网格的划分采用三角形面网格，体网格的类型为以六面体为核心的剪裁体网格。整个计算域体网格尺寸为1～300 mm，在近壁面处生成两层边界层网格，网格增长率为1.1，总厚度为8.4 mm。为了增加对近地面流场的捕捉，对底盘测功机和地面区域体网格进行了加密，考虑到体网格数量和计算时间等因素，将加密区域网格尺寸定为10 mm，最终生成的体网格数量约为3 917万。

图2 汽车环境风洞计算域模型Fig.2 Automotive climate wind tunnel computing domain model

风洞入口边界设置为质量流量入口，出口边界设为分离流出口，入口质量流量数值由风洞收缩段的收缩比、气流密度及喷口设定风速计算得到。将边界层抽吸装置简化为抽吸平面，设置为分离流出口。为保证风洞数值模型与真实风洞完全一致，参照环境风洞结构设计图纸，在风洞模型喷口左侧和右侧的怠速风门内部相同位置分别设置一个压力释放端口。压力释放端口出口设置为压力出口，而压力释放端口入口设置为质量流量入口，弥补边界层抽吸装置抽吸而失去的质量流量，保证计算域内的质量流量守恒。鉴于Realizablek-ε模型能够较为准确地捕捉流动分离[10]，并且它对广泛的流动有效[11-14]，因此将其作为本文所使用的湍流模型。

2.2 风洞试验

试验选择在无车的汽车环境风洞试验段内进行，测试风速为20～200 km/h，风速间隔为20 km/h，风洞试验如图3所示。测试设备主要有电脑、电子压力扫描阀和边界层耙等。电脑上装有与电子压力扫描阀配套的数据采集系统，压力扫描阀通过数据线与电脑上的数据采集系统实现数据连接，边界层耙通过测压软管与压力扫描阀上的通道相连。测试位置选择风洞轴向中心线位置，在距离风洞喷口0.83、1.73、3.32、4.32、5.32、6.32 m处测试地面区域边界层厚度，其中0.83 m处约为车前侧位置，6.32 m处约为车后侧位置。

图3 边界层厚度测量试验Fig.3 Diagram of boundary layer thickness measurement test

2.3 抽吸率研究及仿真精度验证

边界层抽吸装置是汽车环境风洞重要的组成部分之一，它的主要作用是抽吸地面附近的低速气流，从而达到降低地面边界层厚度的目的[15-17]。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[18-19]。数值仿真计算风速为20～200 km/h，风速间隔为20 km/h，分别计算了不同喷口设定风速下边界层抽吸装置不同抽吸率下的边界层厚度。选择风洞试验典型风速120 km/h进行分析，在此风速下数值仿真计算的部分抽吸率、抽吸速度和抽吸量见表1。所有算例全部采用稳态计算，迭代5 000步后，最终的收敛残差在10–3量级以下，认为计算收敛。

表1 风速120 km/h的部分抽吸率、抽吸速度和抽吸量Tab.1 Partial suction rate, suction speed and suction capacity at a wind speed of 120 km/h

数值仿真计算结果表明，喷口设定风速为120 km/h时，边界层抽吸装置的最佳抽吸率为0.048，此时抽吸量约占喷口总流量的1.51%。为验证模型仿真的精度，选取环境风洞轴向中心线处距离喷口0.83 m的试验测量位置，将此位置边界层耙上60个测点的测量风速值与数值仿真计算值进行对比，对比结果如图4所示。由图4可以看出，在最佳抽吸率下，测点位置处边界层耙上60个测点的测量风速值与数值仿真计算值基本吻合。靠近地面处由于湍流模型和网格等因素的影响，计算误差较大，其余位置计算误差在2%以内，可以认为该数值模型具有较高的仿真精度。

图4 边界层耙测量风速值与计算值对比Fig.4 Comparison between measured wind speed and calculated wind speed with boundary layer rake

3 结果分析

3.1 风洞轴向中心线位置边界层厚度

边界层内流体的流动速度是渐近地趋于外部主流速度，所以边界层内外区域的分界线不明显。边界层的厚度通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离。当底盘测功机关闭时，环境风洞轴向中心线位置边界层厚度测量结果和计算结果对比见表2，表中δ为边界层厚度，δ*为边界层位移厚度。

表2 风洞轴向中心线位置边界层厚度测量结果和计算结果对比Tab.2 Comparison of measured and calculated boundary layer thickness at axial center line of wind tunnel

由试验数据可得，风洞地面区域边界层厚度随着与喷口距离的增加逐渐增厚，原因是，风洞地面边界层是由于气体的黏性作用而产生的。边界层紧靠地面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度，由于最靠近地面的一层气体速度为0，而边界层顶部气流速度接近主流速度，随着气流的流动，受气体黏性作用的影响，低速的气体层与高速的气体层之间的速度梯度减小，边界层顶部气流要达到风洞中心主流速度，具有速度梯度的气体层数增加，边界层厚度必然逐渐增加。

由表2的结果可知，环境风洞轴向中心线处不同位置的边界层厚度在设置的最佳抽吸率下得到了有效的控制。数值仿真计算中，地面测试区域的边界层厚度控制在122 mm以内，边界层位移厚度控制在17 mm以内。在距离风洞抽吸口较近的位置，地面边界层厚度和边界层位移厚度的试验数据与仿真数据的绝对值较低，因此导致数值仿真计算的相对误差较大，其他位置边界层厚度的相对误差基本保证在12%以内，边界层位移厚度的相对误差基本保证在10%以内。考虑到数值仿真软件本身存在的数值仿真计算误差，边界层厚度和边界层位移厚度的数值计算结果具有较高的精度。

3.2 底盘测功机对地面流场的影响

在汽车环境风洞中，底盘测功机是以转毂的表面来模拟路面，主要用以进行汽车的行驶阻力测试、发动机功率测试以及汽车加速性能和爬坡性能等测试[20-23]。由于底盘测功机区域试验测试设备安装困难，因此从数值仿真的角度探究了底盘测功机对地面流场的影响。

数值仿真计算风速为20～200 km/h，风速间隔为20 km/h，仿真计算中，边界层抽吸装置的抽吸率为各喷口风速下的最佳抽吸率。选择风洞试验典型风速120 km/h进行分析，其他风速流场规律与120 km/h基本相似。数值仿真计算了无底盘测功机、底盘测功机分别处于关闭和打开状态等3种情况下的环境风洞地面流场。在仿真计算中，底盘测功机转毂的转动采用MRF法和旋转壁面法2种方法，MRF方法是通过旋转参考坐标系的方法体现转毂在旋转区域的效果[24]，而旋转壁面法是通过在物体表面设置切向速度来模拟真实旋转[25-26]。

3.2.1 底盘测功机附近区域边界层厚度

底盘测功机主要影响其附近的流场，对风洞地面其他位置流场的影响较小，所以主要分析了底盘测功机周围区域的流场规律。由于底盘测功机4个转毂是左右对称分布的，因此分析了底盘测功机左侧前后2个转毂附近5个位置的地面边界层厚度，位置信息和4种计算工况下的计算结果见表3。

表3 底盘测功机区域不同位置边界层厚度对比Tab.3 Comparison of boundary layer thickness at different positions in chassis dynamometer area

由表3可得，汽车环境风洞无底盘测功机时，自风洞喷口流出的气流在地面附近无任何阻挡，地面边界层得以充分发展。随着气流的流动，边界层逐渐增厚，相比于存在底盘测功机时，区域内相同位置的边界层厚度增加1.28～12.22 mm。对比MRF法和旋转壁面法2种数值模拟方法的模拟结果可得，在前转毂前侧，采用旋转壁面法进行模拟比MRF法边界层厚度增加近8 mm；而在其他位置，2种模拟方法对边界层厚度的模拟区别不大，差别在1.5 mm以内。通过对比底盘测功机处于打开与关闭状态时不同位置的边界层厚度可得，底盘测功机转毂的转动会使周边的气流发生扰动，进而使附近区域的地面边界层厚度变大。

3.2.2 底盘测功机区域风速分布

在车型设计中，一般轿车底盘高度在110～150 mm。为对比4种仿真工况下底盘测功机区域风速分布规律，在底盘测功机区域高度方向选择轿车底盘平均高度130 mm进行风速分析。在汽车环境风洞计算域内左侧底盘测功机轴向中心线130 mm高度处依次纵向设置51个风速监测点，监测点的分布范围为自前转毂前侧至后转毂后侧，在X方向为距离喷口2～7 m，监测点与监测点之间的间隔为0.1 m。汽车环境风洞底盘测功机区域无底盘测功机和底盘测功机不运行时的速度云图对比如图5所示。使用MRF法和旋转壁面法2种转毂转动模拟方法的底盘测功机区域速度云图对比如图6所示。由数值仿真计算结果得出的4种仿真工况下底盘测功机区域距离地面高度130 mm的风速分布如图7所示。

图5 无底盘测功机和底盘测功机不运行工况速度云图对比Fig.5 Comparison of velocity cloud image under different operating conditions (a) with chassis dynamometer and(b) without chassis dynamometer

图6 MRF法和旋转壁面法速度云图对比Fig.6 Comparison of velocity cloud image between (a) MRF method and (b) rotating wall method

图7 底盘测功机区域130 mm高度处的风速分布Fig.7 Wind speed distribution at 130 mm height in the chassis dynamometer area

通过图5和图7可以发现，底盘测功机的结构会对附近风速产生影响，并且底盘测功机处于关闭和打开状态时，附近区域的风速变化趋势一致，而后转毂附近风速波动略大。这种风速分布规律主要是由底盘测功机地面部分的结构造成的。由于转毂毂面略微凸出地面，因此在前转毂的前侧、上侧、后侧和后转毂的上侧和后侧都会有一个高风速区域，区域内风速比设定风速高1%～4%。在前后转毂前侧和后侧与地面相连接的位置各有一个凹部，在这类位置由于气流的回流，会形成一个风速略低的区域，低风速区域风速比设定风速低1%～5%。由于后转毂前侧与地面连接处平滑过渡，气流并没有受到严重阻挡，因此在后转毂前侧风速几乎不受影响。底盘测功机对近地面风速的影响随着距离地面高度的增加而逐渐减小，在底盘测功机区域距离地面高度260 mm以上区域，底盘测功机对风速几乎没有影响。

由图6和图7可以得出，使用MRF法和旋转壁面法对转毂进行模拟时，底盘测功机区域的风速分布近乎一致，可以认为这2种模拟方法对底盘测功机区域风速的模拟精度一致。通过图7可以发现，当底盘测功机处于打开状态时，在前转毂前侧和后转毂后侧的风速相对于关闭状态时会减小。造成这种现象的原因是底盘测功机打开后，转毂的转动使前转毂前侧和后转毂后侧区域地面边界层厚度增大，边界层内风速比主流风速低，受边界层的影响，在前转毂前侧和后转毂后侧的风速相对于关闭状态时会减小。

3.2.3 底盘测功机附近区域总压损失

数值仿真计算中，底盘测功机区域的总压值监测点与风速监测点一致，4种计算工况下底盘测功机区域距离地面高度130 mm的总压损失计算结果如图8所示。由图8可得，底盘测功机区域总压随着距喷口距离的增大而逐渐减小，可见底盘测功机区域具有一定的总压损失；而无底盘测功机时，总压损失更小。对比MRF法和旋转壁面法得出的总压曲线可得，旋转壁面法可以模拟出底盘测功机区域的压降，对总压趋势的模拟更加准确，而MRF法对总压的模拟误差较大。在地面高度130 mm处，距离喷口6.4 m位置的下游区域，风洞中存在底盘测功机时总压开始出现较大幅度的下降，并且在底盘测功机处于打开状态时，总压下降尤为明显。原因是此处位于后转毂后侧，受后转毂结构的影响，总压出现骤然下降，而后转毂对总压的这种影响在转动时更加明显；前转毂区域由于地面部分结构简单，因此在此高度处对总压影响较小。

图8 底盘测功机区域130 mm高度总压损失Fig.8 Total pressure loss at 130 mm height in the chassis dynamometer area

3.2.4 底盘测功机附近区域静压分布

数值仿真计算中，底盘测功机区域的静压值监测点与风速监测点一致。汽车环境风洞的底盘测功机区域无底盘测功机和底盘测功机不运行工况的静压云图对比如图9所示。采用MRF法和旋转壁面法得出的底盘测功机区域静压云图如图10所示。由数值仿真计算结果得出的4种工况下底盘测功机区域距离地面高度130 mm处的静压曲线如图11所示。

图9 无底盘测功机和底盘测功机不运行工况静压云图对比Fig.9 Comparison of static pressure cloud image under different operating conditions(a) with chassis dynamometer and (b) without chassis dynamometer

图10 MRF法和旋转壁面法静压云图对比Fig.10 Comparison of static pressure cloud image between (a) MRF method and (b) rotating wall method

图11 底盘测功机区域130mm高度静压分布Fig.11 Static pressure distribution at 130mm height in the chassis dynamometer area

由图9和图11可得，在前转毂的前侧、上侧、后侧和后转毂的上侧和后侧这5个高风速位置，各有一个静压值较低的区域。与无底盘测功机相比，区域内静压值低0.32～46.02 Pa。在前后转毂与地面连接处的凹部，这些位置风速较低，各有一个静压值较高的区域。与无底盘测功机相比，区域内静压值高0.08～49.34 Pa。后转毂前侧的凹部由于没有正对来流方向，且此处平滑过渡，因此对静压值的影响较小。对比前后转毂区域，后转毂区域较前转毂区域的静压波动大。这主要是由于后转毂地面部分比前转毂略大，且结构更为复杂，对静压分布的影响也更大。

由图10和图11可得，采用MRF法进行转毂转动的模拟得出的静压曲线和旋转壁面法非常接近，可以认为这2种模拟方法对底盘测功机区域的静压分布模拟精度一致。当底盘测功机处于打开状态时，在前转毂前侧和后转毂后侧区域的静压值比关闭状态时大。原因是当底盘测功机处于打开状态时，在前转毂前侧和后转毂后侧的风速相对于关闭状态时会减小，使当地静压变大，因此在前转毂前侧和后转毂后侧区域的静压值比关闭状态时大。由数值计算结果显示，在距离地面473 mm以上位置，底盘测功机对静压的影响基本消失。

4 结论

采用数值仿真的方法，得出了汽车环境风洞的抽吸率，分析了底盘测功机区域的边界层厚度、风速和压力分布情况。针对转毂转动的模拟，对比了MRF法和旋转壁面法对底盘测功机区域流场模拟的差异，得出了以下结论。

1）在每一设置风速下，汽车环境风洞的边界层抽吸装置都有其对应的最佳抽吸率，喷口设定风速为120 km/h时，边界层抽吸装置的最佳抽吸率为0.048，此时抽吸量约占喷口总流量的1.51%。

2）底盘测功机不运行时，其结构会对附近区域地面边界层厚度、风速、总压和静压分布产生影响。相比于底盘测功机不运行工况，汽车环境风洞无底盘测功机时，底盘测功机区域内相同位置的边界层厚度会增加1.28～12.22 mm，而总压损失会减小。在前转毂的前侧、上侧、后侧和后转毂的上侧和后侧都会有一个高风速区域，区域内风速比设定风速高1%～4%，与无底盘测功机相比，区域内静压值低0.32～46.02 Pa。在前后转毂前侧和后侧与地面相连接的凹部会有一个低风速区域，区域内风速比设定风速低1%～5%，与无底盘测功机相比，区域内静压值高0.08～49.34 Pa。在高度方向，底盘测功机对近地面风速、总压和静压分布的影响范围有限。在底盘测功机区域一定高度范围内，后转毂对风速、总压和静压分布的影响较大。

3）底盘测功机转毂的转动会使附近区域的地面边界层厚度变大。相比于关闭状态，底盘测功机处于打开状态时，在后转毂后侧的总压下降幅度更大。在前转毂前侧和后转毂后侧区域，底盘测功机处于打开状态的风速比关闭状态时小，静压值则比关闭状态时大。除前转毂前侧位置，MRF法和旋转壁面法对边界层厚度的模拟差别不大。2种模拟方法对底盘测功机区域风速和静压分布的模拟精度一致；而对于总压的模拟，旋转壁面法对总压趋势的模拟更加准确，MRF法对总压的模拟误差较大。对比MRF法和旋转壁面法，旋转壁面法更适合对底盘测功机区域流场的模拟。