摘要:为给汽车前端和发动机舱内气流数值计算提供参考依据,基于FLUENT对某汽车换热器风室试验台进行建模和数值模拟;分析风室内部空气流动状况,针对流动特征,给出风室计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)校核的评价. 网格采用四面体结构,模型中采用三维不可压的雷诺平均N-S方程,速度压力耦合采用SIMPLE方法. 空间离散格式为2阶迎风格式,时间离散格式为2阶隐式. 选用realizable k-ε模型模拟风室内部空气的湍流流动. 固体壁面采用无滑移边界条件和非平衡壁面函数边界条件. 模型进口采用速度入口来给定风量,出口采用压力出口. 比较计算结果与试验设计标准,喷嘴压差的相对偏差范围在5%以内,基本达到对设备的精度要求,对风室设计有一定指导意义.
关键词:汽车换热器; 风室试验台; 特性曲线; FLUENT
中图分类号:U464.333; O35; TB115文献标志码:A
收稿日期:2008-[KG*9〗10-[KG*9〗21修回日期:2009-[KG*9〗12-[KG*9〗02
基金项目: 长江学者和创新团队发展计划
作者简介: 何炜(1983—),男,安徽安庆人,硕士研究生,研究方向为汽车空气动力学与热环境,(E-mail)hwlynn23@163.com;
杨志刚(1961—),男,辽宁鞍山人,教授,博导,博士,研究方向为车辆工程及空气动力学,(E-mail)zhigangyang@tongji.edu.cn
通信作者: 王东(1972—),男,哈尔滨人,副教授,博士,博士后,研究方向为汽车及发动机的气动热力学,(E-mail)ottosh@sohu.com
CFD analysis on wind chamber test-bed for
automobile heat exchanger
HE Wei, YANG Zhigang, WANG Dong
(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji Univ., Shanghai 201804, China)
Abstract: To support the airflow numerical computation of automobile front-end and engine compartment, the modeling and numerical simulation of a wind chamber test-bed for automobile heat exchanger are performed based on FLUENT; the airflow in the wind chamber is analyzed; and the Computational Fluid Dynamics(CFD) verification is evaluated according to the airflow characteristics. The 3D uncompressible Navier-Stokes equations are solved for the model with tetrahedral mesh, and the velocity-pressure coupling is performed by SIMPLE method. The spatial discretization is second order upwind scheme and the temporal discretization is second order implicit scheme. The realizable k-ε model is used to simulate the turbulence flow for the air in the wind chamber. The velocity inlet which is used to set the wind flow rate and the pressure outlet are used for the model while the solid walls are treated as no-slip boundary conditions with unbalanced wall function. An ideal effect is obtained with the comparison between the computational results and the design criteria with less than 5% pressure drop error of the nozzle. The design basically meets the precision requirement of the equipment. So the results can provide some references for the wind chamber design.
Key words: automobile heat exchanger; wind test-bed; characteristic curve; FLUENT
0引言
在汽车前端和发动机舱内流动的数值计算中,由于冷凝器和散热器实际部件本身构造的复杂性,在数值计算中很难对其进行直接模拟,只能采用近似数值解法代替.这要求将真实模型以1组特性参数的形式应用于数值计算软件相应的模块中,使其尽量接近真实状况以满足分析要求.以FLUENT为例,将冷凝器和散热器按多孔介质[1]模型处理,其数值计算需要阻力损失等性能曲线.
汽车换热器风室试验台是为汽车换热部件提供性能试验的平台,同时也可以为热管理部件性能的数值分析提供试验验证.文献[2]从工程角度,基于结构尺寸、测量范围、测量精度和系统控制等几个方面设计风室试验台.在投入使用之前,需要对其性能进行校核和分析,使其更好地满足试验需求.本文运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对风室试验台进行建模、计算和分析,并将结果与试验设计标准进行比较,同时分析风室内部的流动状况,从校核的角度对风室设计进行评价.
1计算模型与方法
1.1计算模型
图 1车用换热器风室试验台根据GB/T 1236—2000[3]设计本风室试验台(简称风室).该风室由多喷嘴流量测量系统[4-6]、配有风机箱的低噪声辅助风机及自动控制与数据采集系统等部分组成[2],见图1;通过5个喷嘴的开闭组合来控制风量范围,保证喷嘴前后的压力差稳定在标准范围之内,从而保证测量的准确性.
风室内的流动空间主要分为4个部分,见图2.由于旨在模拟风室内部的流动状况,在CFD建模时对风室作相应简化:省去辅助风机部分,用压力出口面代替辅助风机,起到抽吸作用;入口的无限空间用1个有限柱型速度入口代替;将整流板处理为多孔跳跃面(下文介绍);省去喷嘴的控制元件.
1.2网格与边界
网格采用四面体结构,总体网格数量为92万个,体网格质量控制在0.96以下,见图3.
图 2风室的简化模型
图 3网格与边界设定
图3中喷嘴的开、闭用interior面设置完成.模型中采用三维不可压的雷诺平均N-S方程,速度压力耦合采用SIMPLE方法.空间离散格式为2阶迎风格式,时间离散格式为2阶隐式.对于风室内部的图 4测压点布置湍流流动,选用realizable k-ε模型计算.固体壁面采用无滑移边界条件和非平衡壁面函数边界条件.模型进口采用速度入口来给定风量,出口采用压力出口.设置风室的2层整流板为多孔介质模型.为与试验传感器所取的测压方式保持一致,在喷嘴前后相同位置布置测压面和测压点,以便于分析,见图4.
1.3整流板层的处理
整流板是为了使通过喷嘴前以及出口空气更加均匀而设置的多孔板件.风室内的前后整流板,其宽为1 216 mm,高为1 916 mm,有近万个孔.为便于计算,采用单元模拟法,即从整流板的结构中取出1个单元小孔进行建模和计算,得到其压力损失曲线,见图5(a)和5(b).其中,由于通过整流板的风速较低,通常低于2 m/s,所取的速度点多集中于低速区域.然后,将曲线应用于整个多孔板,用于风室整体的计算.(a)单元模拟法示意图
(b)单元压力特性曲线
图 5整流板的处理
1.4喷嘴开启组合选取
图 6喷嘴编号与开启组合针对所要校核的流量范围,采用5种喷嘴组合.如图6所示:1号喷嘴开启和喷嘴全开分别对应最大和最小流量;2号喷嘴开启用于较低风速,且流动偏向右下侧,不均匀度较大;1,2号的组合和3,5号的组合分别对应中速和较高速的流量,其中3,5号组合的喷嘴较为对称.
2计算结果的比较
2.1喷嘴前后压差分析
表1给出所选取的各喷嘴组合情况下风室的风量测量范围.[2]该范围是根据设计标准,控制通过喷嘴的流速为15 m/s到35 m/s所确定的.在各个组合情况下都选取最大风量值作为计算点.
表 1各喷嘴组合情况下风室的风量测量范围序号喷嘴匹配/mm喷嘴风量范围/(m3•h-1)12Φ110
关闭Φ1502954～2 227Φ189+Φ1893+43 030～7 070345Φ110
打开1 513～1 197Φ110+Φ1501+21 467～3 424Φ110+Φ150+Φ189+Φ189+Φ1891~56 012～14 029
表2给出关于喷嘴压差的风室CFD计算结果.所得的压差即为喷嘴前测压面的平均压力与喷嘴后测压点的平均压力之差,其反映的是风室内压力环境情况.1个稳定的压力差值对于试验的测量精度具有重要作用.
表 2关于喷嘴压差的风室CFD计算结果喷嘴
组合喷嘴
直径/
mm选取
风量/
(m3•h-1)入口
速度/
(m•s-1)计算
压差/
Pa设计
压差值/
Pa相对
偏差
/%11101 1971.38337935.021502 2272.48017871.81+2110+1503 4243.78077912.03+5189+1897 0707.78087912.11+2+
3+4+5110+150+
189×314 02915.38287934.4
可以看出,计算结果反映出喷嘴前后压差保持在一定范围之内,但在小流量和大流量时,出现压差增大的现象.这是与风室内部湍流程度的增加以及整流板特性的误差相联系的,尤其在喷嘴全开、流量最大时,风室内的控制部件对流动的干扰也会随之增大,对模型的简化使得计算得到的结果偏大.通过与设计的压力差值比较可以看出,其相对偏差范围在5%以内,基本达到对设备的精度要求.
2.2风室内部流动状况分析
2.2.1矢量图
风室流动状况除了压差控制之外,还有流动均匀度、湍流度以及对称性分析.从图7所示的各喷嘴组合情况下的风室流动矢量图可以看出,在喷嘴前的整流室内,通过整流板作用的流动较进风室更加均匀;在喷嘴后室接近整流室的壁面附近也体现出分布均匀的态势,便于提取测压面和测压点.
(a)喷嘴1
(b)喷嘴2(c)喷嘴1+2
(d)喷嘴3+5(e)喷嘴1+2+3+4+5
图 7风室各喷嘴组合情况下的矢量图(中间截面)
2.2.2风室流线
从流线的角度对流动的湍流程度以及对称性作进一步分析.以喷嘴全开的情况为例,观测风室内部的流动状况.图8(a)为风室全局流线图.可见在进风室内,高速的进口气流会形成2个较大涡旋,在尺度上保持上下对称,且涡心较靠近于整流层.在整流室内,由于喷嘴作用,流动在中部形成2个新的更为复杂的涡形状,且由于喷嘴结构的不对称性,上下层的涡尺度也不同,但进入喷嘴的流线分布较为均匀,能体现喷嘴压力差控制均匀的特点,而且通过喷嘴以后,到第2层整流板的流动,各个喷嘴之间也分布平均,基本符合设计要求.从图8(b)可以看到整流室内的流动较进风室的流动更加均匀化,充分体现整流板的作用.整流室内喷嘴前的涡形呈现从两侧到中间的渐缩趋势,最后由于中间喷嘴的作用而消失.风室左右侧的流动分布也较对称,使得各个喷嘴的流动分布达到较为合理的状态.(a)风室全局流线图(b)测向涡旋图图 8风室喷嘴全开时内部流线图
3结论
本风室试验台的喷嘴压差控制与设计标准偏差在5%之内,达到标准对测量精度的要求.
风室内部经过整流板作用,整流室以及喷嘴后部靠近内整流室壁面的区域流动均匀性良好,可保证较好的测压环境.
风室内部流动对称性分布良好,通过喷嘴的流动分布均匀.只是进风室内湍流度较大,会对进风室流动产生一定影响.建议通过改变整流板的位置等方法加以改进.参考文献:
[1]FLUENT Inc. FLUENT 6.2 user’s guide[K]. 2004.
[2]刘正, 王振亚, 杨志刚. 车用风扇及换热器气动性能试验台设计与试制[J]. 风机技术, 2007(6): 28-31.
[3]国家质量技术监督局. GB/T 1236—2000工业通风机——用标准化风道进行性能试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 2001.
[4]蒋旭平, 姚新红, 王海民. 工业通风机性能测试中喷嘴的选择[J]. 流体机械, 2006(3): 39-41.
[5]秦国良. 全功能工业通风机性能自动测试系统(一)——数据采集系统的实现[J]. 风机技术, 2003(5): 28-30.
[6]李丽, 张锡义, 李伟江. 通风机性能试验台及其应用[J]. 实验技术与管理, 2005(9): 44-47.
(编辑廖粤新)