0 前言
在汽車前端模塊的開發(fā)中，換熱模塊的通風(fēng)量和風(fēng)速分布對換熱模塊的換熱效率有著重要的影響，因此如何準(zhǔn)確地得到前端模塊在各種工況下的通風(fēng)量和風(fēng)速分布顯得尤為重要。目前主要的方法有測試法和模擬法，由于測試法周期長費(fèi)用高，而模擬法具有周期短花費(fèi)少可以在開發(fā)的早期介入等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在越來越多的主機(jī)廠開始使用模擬法來輔助前端模塊的開發(fā)。
模擬法主要使用CFD(Computational Fluid Dynamics)的分析方法，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在整車開發(fā)過程中CFD被用于前艙流場、整車溫度場、風(fēng)阻、風(fēng)噪聲、HVAC等許多方面。在汽車前端模塊中散熱風(fēng)扇是一個關(guān)鍵部件，散熱風(fēng)扇在工作時自身處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)以及中冷系統(tǒng)的散熱提供動力，因此風(fēng)扇模型的準(zhǔn)確程度對最終的模擬結(jié)果有很大的影響。
目前有三種方法可以對風(fēng)扇進(jìn)行模擬：MRF模型、風(fēng)扇動量源模型、瞬態(tài)模擬。這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，MRF和風(fēng)扇動量源都是穩(wěn)態(tài)的方法，相較于瞬態(tài)的方法，穩(wěn)態(tài)的方法計算量較小，而瞬態(tài)方法有著更高的求解精度。MRF模型需要扇葉的CAD數(shù)據(jù)，這種模型被較多地用于前艙流場分析中。動量源模型則不要扇葉的CAD數(shù)據(jù)，在沒有扇葉數(shù)據(jù)的情況下這種模型被較多地使用。瞬態(tài)模擬主要有滑移網(wǎng)格(SlidingMesh)法，由于瞬態(tài)計算需要大量的計算資源，目前這一方法很少在前艙流場分析使用。
目前有較多的文章研究了MRF模型模擬風(fēng)扇單體的精度，其中文章[1]指出MRF對旋轉(zhuǎn)域大小很敏感，旋轉(zhuǎn)域越大計算的通風(fēng)量越大；文章[2-4]分別研究了MRF模型和滑移網(wǎng)格模型的精度，指出MRF模型的誤差為10%左右；文章[5]研究了風(fēng)扇罩對風(fēng)扇單體性能的影響，有無風(fēng)扇罩對模擬的結(jié)果有較大影響。本文主要研究MRF模型運(yùn)用到整車后的精度。
1 理論基礎(chǔ)
MRF模型適用于對旋轉(zhuǎn)問題的模擬。這種方法主要是將流體域分為旋轉(zhuǎn)域和非旋轉(zhuǎn)域，在非旋轉(zhuǎn)域中求解常規(guī)的流體控制方程，而在旋轉(zhuǎn)域中求解通過坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換得到的新的控制方程：ν=νr+ω×r
通過上面的轉(zhuǎn)換便可以將旋轉(zhuǎn)加速度加入到動量方程中。
MRF模型適用于穩(wěn)態(tài)過程的求解，它要求離開旋轉(zhuǎn)域的流場必須沿旋轉(zhuǎn)軸對稱，如果不滿足上述使用要求模擬結(jié)果可能會出現(xiàn)一定的偏差。對于風(fēng)扇的模擬要求旋轉(zhuǎn)域要盡可能的大，另外靠近旋轉(zhuǎn)域的非旋轉(zhuǎn)壁面也必須是沿旋轉(zhuǎn)軸對稱的。前端模塊不能完全滿足上述要求的，因?yàn)榭拷L(fēng)扇的風(fēng)扇罩不是完全軸對稱的。
2 試驗(yàn)和數(shù)值方法
為了研究前艙流場分析中 MRF 模型的精度，需要與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。而對于汽車來說前端模塊的流態(tài)較難通過試驗(yàn)的方法得到。目前一個可行的方法是測試風(fēng)扇前換熱器的通風(fēng)量分布，通過對比換熱器的通風(fēng)量來確定MRF模型的精度。
2.1 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)對象為一款三廂轎車，該車型發(fā)動機(jī)為自然吸氣型，其散熱風(fēng)扇采用單風(fēng)扇的形式。試驗(yàn)前將葉輪式風(fēng)速傳感器布置于冷凝器后(如圖1所示)，另外為得到風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)扇上布置了轉(zhuǎn)速傳感器。
圖1 冷凝器后傳感器布點(diǎn)分布圖
試驗(yàn)中風(fēng)扇由外接穩(wěn)壓電源驅(qū)動，總共進(jìn)行了3組測試：風(fēng)扇不加電、低電壓、高電壓，每組測試包含汽車從怠速到極速行駛過程中的一些工況點(diǎn)，使試驗(yàn)覆蓋車輛常見的行駛工況。為保證足夠的測試精度，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行。
2.2 數(shù)值方法
2.2.1 CFD模型
通過STAR-CCM+成熟的包面技術(shù)建立整車模型。由于本次分析著重研究前端模塊，為更好的保留一些CAD細(xì)節(jié)，如進(jìn)氣格柵、前端模塊等對模擬結(jié)果影響較大的部件直接在前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行處理(如圖2所示)。
圖2 HyperMesh處理的前端模塊的網(wǎng)格
本文主要考慮兩種因素對 MRF 模型模擬精度的影響，第一種因素是旋轉(zhuǎn)域的大小，另一種因素是網(wǎng)格密度。為驗(yàn)證風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域的大小對計算結(jié)果的影響，設(shè)計了兩種不同大小的旋轉(zhuǎn)域。第一種旋轉(zhuǎn)域的側(cè)面取在風(fēng)扇罩的內(nèi)側(cè)，而進(jìn)出口取在可以整體包裹住扇葉的位置，這是一種半徑最大的旋轉(zhuǎn)域取法；第二種旋轉(zhuǎn)域的側(cè)面則取在風(fēng)扇罩和扇葉之間，而進(jìn)出口取在扇葉轉(zhuǎn)軸的直線段上(如圖3所示)。
圖3 兩種風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域示意圖(左圖為旋轉(zhuǎn)域一，右圖為旋轉(zhuǎn)域二)
體網(wǎng)格采用Trimmer網(wǎng)格，初始模型的體網(wǎng)格數(shù)量為1200萬左右。為比較不同網(wǎng)格密度對計算結(jié)果影響，在初始模型的基礎(chǔ)上對網(wǎng)格進(jìn)行了加密，加密的主要區(qū)域?yàn)榍岸四K周圍、格柵前到風(fēng)扇后、發(fā)動機(jī)艙等部位，加密后網(wǎng)格數(shù)量為2300萬左右(如圖4所示)。
圖4 兩種密度的體網(wǎng)格示意圖(左圖為初始網(wǎng)格，右圖為加密網(wǎng)格)
本文主要進(jìn)行三種方案的研究：方案一為初始網(wǎng)格+旋轉(zhuǎn)域一、方案二為加密網(wǎng)格+旋轉(zhuǎn)域一、方案三為加密網(wǎng)格+旋轉(zhuǎn)域二。
2.2.2 物理模型和邊界條件
模擬為穩(wěn)態(tài)過程，采用三維不可壓的Reynolds-averaged Navier Stokes方程和二階迎風(fēng)的離散算法，湍流模型使用Realizable K-Epsilon模型，近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment。邊界條件為速度進(jìn)口邊界和壓力出口邊界。其中冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)模型所需的慣性阻尼系數(shù)和粘性阻尼系數(shù)通過單體測試數(shù)據(jù)擬合得到。風(fēng)扇使用MRF模型，同時使用MixingPlane模型，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)一致。
3 仿真結(jié)果
3.1 仿真結(jié)果處理
由于測試時使用的是葉輪式風(fēng)速傳感器，只能得到各個測點(diǎn)的平均風(fēng)速和總的平均風(fēng)速。為了更好的與試驗(yàn)進(jìn)行對比，需要在相應(yīng)的測點(diǎn)位置上建立一個輔助面，且輔助面必須與葉輪式傳感器的大小位置都保持一致。由于測點(diǎn)較多，可以借助JAVA腳本來減小后處理的時間(如圖5所示)。
圖5 輔助面示意圖
3.2 仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比
三種方案的各測點(diǎn)平均風(fēng)速與測試數(shù)據(jù)的對比如圖6所示：
圖6 各測點(diǎn)與測試數(shù)據(jù)對比柱狀圖
通風(fēng)量誤差可以用各方案總的平均風(fēng)速誤差來表征，而風(fēng)速分布的誤差可以用各測點(diǎn)誤差平方和的算數(shù)平方根(RMS)來表征。三種方案的平均風(fēng)速誤差和RMS對比如圖7所示。
圖7 各測點(diǎn)與測試數(shù)據(jù)對比柱狀圖
由圖7可以看出，對比方案一和方案二，兩者的平均風(fēng)速誤差較為接近，但是RMS相差較大，表明網(wǎng)格密度對模擬風(fēng)扇的P-Q性能影響較小，但是對風(fēng)速分布有一定的影響；對比方案二和方案三，兩者的平均風(fēng)速誤差有較為明顯的差異，說明風(fēng)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)域的大小對模擬風(fēng)扇的P-Q性能有較大的影響，而兩者RMS相差較小，說明旋轉(zhuǎn)域的大小對風(fēng)速分布影響較小。
方案一和方案二所使用的是較大的旋轉(zhuǎn)域，由于其側(cè)面包含了風(fēng)扇罩的內(nèi)壁面，壁面會隨著MRF旋轉(zhuǎn)域而轉(zhuǎn)動，因此在壁面處的速度分布較理論情況會出現(xiàn)明顯的偏差，理論上在靜止的壁面上的速度為零。對于方案三所使用的小的旋轉(zhuǎn)域，其側(cè)面取在風(fēng)扇罩內(nèi)壁和扇葉護(hù)風(fēng)圈之間，風(fēng)扇罩內(nèi)壁不在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，其壁面速度的分布符合理論情況，如圖8所示。
圖8 兩種大小旋轉(zhuǎn)域切面速度云圖
總體來說使用MRF模型模擬汽車前端模塊的通風(fēng)量和風(fēng)速分布會產(chǎn)生一定的誤差，MRF模型的計算結(jié)果低于測試結(jié)果，通風(fēng)量的誤差在11%左右。
4 結(jié)論
通過本文的研究可以看到，MRF模型對旋轉(zhuǎn)域的大小非常敏感，使用較大的旋轉(zhuǎn)域可以得到比較大的通風(fēng)量。在選取旋轉(zhuǎn)域的時候不要將旋轉(zhuǎn)域的側(cè)面選在風(fēng)扇罩的內(nèi)壁面上，那樣會造成風(fēng)扇罩壁面上速度分布的錯誤。另外網(wǎng)格的密度對通風(fēng)量的大小影響較小，但是對風(fēng)速分布有一定影響。MRF模型對通風(fēng)量和速度分布的預(yù)測與試驗(yàn)有一定的偏差，通風(fēng)量的誤差在11%左右，這一誤差與前文提到的研究風(fēng)扇單體的論文中所得出的MRF精度相一致。綜上所述，在汽車前艙流場分析中，MRF模型預(yù)測的通風(fēng)量與試驗(yàn)測試結(jié)果有一定偏差，因此用該通風(fēng)量去校核換熱器性能則要考慮相應(yīng)的誤差所產(chǎn)生的影響。
5 下一步工作
由于MRF模型的精度存在一定的問題，下一步需要繼續(xù)驗(yàn)證不同大小的旋轉(zhuǎn)域?qū)δM精度的影響，找到一個較為合理的旋轉(zhuǎn)域；另外需要驗(yàn)證其它風(fēng)扇模型，如風(fēng)扇源模型和瞬態(tài)模擬等方法的計算精度，以得到一種較為精確的前端模塊通風(fēng)量和速度分布的模擬方法。
參考文獻(xiàn)
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[5] Yuji Kobayashi, Itsuhei Kohri et.al. Study of Influence of MRF Method on the Prediction of the Engine Cooling Fan Performance. SAE, 2011-01-0648
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本文標(biāo)題：汽車前端風(fēng)量分析精度研究
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