基于CFD的燃料電池客車外流場數(shù)值模擬

魯 亮，張倩文，胡中強，冉 淵

(1.中興智能汽車有限公司，廣東 珠海519090；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

由于傳統(tǒng)化石能源長期使用所帶來的環(huán)境壓力，推動新能源行業(yè)的發(fā)展和能源的高效利用勢在必行[1]。世界各國均非常重視燃料電池汽車的發(fā)展，將燃料電池汽車提升到國家戰(zhàn)略高度并在技術(shù)研發(fā)與配套設(shè)施建設(shè)上給予了大量資金扶持。作為公共交通工具，客車由于具有內(nèi)部空間大，對燃料電池動力系統(tǒng)的尺寸要求較低，易于管理和加注燃料，面向公眾、關(guān)注度高等特點和優(yōu)勢，決定了燃料電池客車被認為是最有可能率先產(chǎn)業(yè)化的新能源車型之一[2]。并且，燃料電池客車對實現(xiàn)可持續(xù)交通，減少CO2的排放，節(jié)能減排，治理城市環(huán)境污染，打造綠色城市具有重要意義。

計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是利用數(shù)值計算來求解流體流動過程中的質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)的重要方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車空氣動力學(xué)研究中[3]。由于投資少、效率高，汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬已成為汽車開發(fā)過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)。因此，筆者采用CFD對燃料電池客車的外流場進行數(shù)值模擬并對其氣動特性進行評價。

1 汽車空氣動力學(xué)基本方程

汽車外流場遵循基本的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒3個守恒定律[4-5]。汽車屬于低馬赫數(shù)運載工具，空氣可以當成不可壓縮流體處理。

1.1 連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)

連續(xù)方程可描述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

(1)

式中：ρ為流體的密度；u、v、w分別為流體速度矢量在x、y、z方向上的分量。對于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)不隨時間變化，故式(1)可變?yōu)椋?/p>

divν=0

(2)

1.2 運動方程(動量守恒方程)

動量方程是任何流體流動系統(tǒng)都必須滿足的基本規(guī)律。即微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

(3)

(4)

(5)

以上3個方程分別是x、y、z方向上的3個分量的動量方程，即Navier-Stokes方程；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項；p為流體微元體上的壓力；μ為流體的動力粘度。當流體為不可壓時，Su、Sv、Sw均為0。

1.3 能量方程

能量方程是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。微元體中的能量增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。根據(jù)內(nèi)能i與溫度T之間存在的關(guān)系i=CpT, 其中Cp為比熱容。于是可以得到以溫度T為變量的能量守恒方程：

(6)

該式的展開形式為：

(7)

式中：κ為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，即粘性耗散項。

1.4 湍流模型

采用工程應(yīng)用中常用的k-ε湍流模型來求解微分方程確定湍流粘性[6-8]。湍流粘性μt的表達式為：

μt=Cuρk2/ε

(8)

湍流動能k和湍流耗散率ε的偏微分方程表達式分別為：

(9)

(10)

2 外流場數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

本文按照設(shè)計要求，采用1∶1的比例選用整車特征參數(shù)，建立了某燃料電池客車的三維模型。此模型主要包括導(dǎo)流罩、空調(diào)罩及氣瓶等復(fù)雜部件[9]，在保證計算精度的基礎(chǔ)上對一些局部細節(jié)進行了簡化處理，如螺栓、螺母、安裝孔和倒角等，數(shù)?；境叽鐬?0 200 mm×2 500 mm×3 350 mm(L×W×H)，最終生成的車身模型如圖1所示。

圖1 客車車身模型

2.2 確定計算域

計算域為長方體虛擬風(fēng)洞?？蛙囄挥谟嬎阌虻闹醒雽ΨQ面，計算域為11倍車長(入口距離客車前臉為3L，計算域出口距離客車尾部為7L)，計算域的寬度為11倍車寬(左右各5倍寬)，高度為5倍車高，客車的正投影面積為7.82 m2，計算域示意圖如圖2所示。

圖2 計算域示意圖

3 網(wǎng)格劃分及計算設(shè)置

3.1 面網(wǎng)格劃分

利用ANSA進行幾何模型的前處理，對未封閉的部分進行處理以保證幾何模型的封閉性。模型處理完后首先生成三角形面網(wǎng)格，并對導(dǎo)流罩、空調(diào)罩等車身局部較小部位進行局部加密提高計算精度。另外，在輪胎和地面接觸的位置，拉伸出一個臺階，這樣既可以模擬輪胎在重力下產(chǎn)生的變形，又可以改善該位置的網(wǎng)格質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 車身面網(wǎng)格示意圖

3.2 體網(wǎng)格劃分

面網(wǎng)格質(zhì)量合格后，使用Tetra CFD方法生成四面體體網(wǎng)格。同時，考慮到在保證計算準確的情況下適當減少網(wǎng)格數(shù)量，在客車車身表面的敏感區(qū)(壁面附近、尾流區(qū)、外形曲率大的表面處)變化梯度大，故在車身附近添加了3個密度盒，密度盒的尺寸逐漸遞增，密度盒面網(wǎng)格的最大長度依次為80 mm、300 mm和600 mm。體網(wǎng)格及密度盒如圖4所示。

圖4 車身體網(wǎng)格示意圖

3.3 計算設(shè)置

為保證計算的可靠性，采用的邊界條件與真實條件盡可能的保持一致，計算域邊界的示意圖如圖5所示。計算域的入口邊界設(shè)定為速度入口(u=30 m/s)；出口邊界為壓力出口，出口壓力為大氣壓[10]。車身表面設(shè)置為無滑移壁面，地面設(shè)置為移動地面，其他壁面設(shè)置為對稱邊界。湍流強度入口和出口分別設(shè)為0.5%和5%，壓力、溫度、空氣密度和空氣粘度均采用溫度為25 ℃時的參數(shù)。邊界條件的具體設(shè)置如表1所示。

圖5 計算域邊界示意圖

表1 邊界條件

4 汽車外流場模擬及結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

按照上述邊界條件及物理模型的設(shè)置，分別對642萬、1 079萬、1 862萬、3 112萬4種網(wǎng)格數(shù)量的方案進行了計算，其風(fēng)阻系數(shù)Cd值計算結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)阻系數(shù)Cd值計算結(jié)果

從表2可以看出,4種網(wǎng)格數(shù)量方案計算結(jié)果相差不大，因此可以排除由于網(wǎng)格數(shù)量問題帶來的誤差，說明計算滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。在一定誤差范圍內(nèi)，4種方案的計算結(jié)果均可作為最終計算結(jié)果，最終取值應(yīng)以與風(fēng)洞實驗值校對后為準。由于缺少風(fēng)洞試驗驗證，從理論而言網(wǎng)格數(shù)量越多其精度越高。出于計算精度考慮，本次計算結(jié)果采用網(wǎng)格數(shù)量為3 112萬的計算結(jié)果，即客車風(fēng)阻系數(shù)Cd值為0.502。

4.2 客車流場分析

為更好地觀察客車周圍的流場分布，揭示客車氣動阻力產(chǎn)生原因，從壓力、速度和湍流動能3個角度對客車周圍的流場進行分析。

(1)圖6為客車表面的壓力云圖，從圖6可以看出客車車身表面大部分面積的壓力低于前臉區(qū)域，正壓區(qū)主要集中分布在客車前臉區(qū)域和車頂后部，而負壓極為嚴重的區(qū)域主要是位于客車的前臉與車頂、車身側(cè)面、底部等棱角處過度的區(qū)域，氣流來不及轉(zhuǎn)折而出現(xiàn)局部分離，因此壓差阻力是客車氣動阻力的主要來源。結(jié)合圖7客車縱向?qū)ΨQ面速度矢量圖來看，由于客車前臉比較平整，流線型較差，來流撞擊前臉形成氣流阻滯，導(dǎo)致前臉區(qū)域形成壓力較高的正壓區(qū)。前臉區(qū)域的正壓區(qū)，會使周圍氣流加速向四周流動，同時氣流流過導(dǎo)流罩與車身之間的縫隙再流經(jīng)氣瓶組，氣流加速并分離，形成較高的壓力區(qū)。

圖6 車身表面壓力云圖

(2)圖7顯示了氣流分別向上、向下流動，向上流動的氣流在車的前頂緣處發(fā)生氣流分離，速度梯度變大，隨著氣流向下游流動，分離的氣流又重新附著在車頂面，在車后頂緣，氣流向下翻卷形成尾渦。向下流動的氣流繞過前下緣沿車底部向后流動，同時在前下緣發(fā)生氣流分離。由于車底部和地面之間的間距比較小，因此整個車底部的氣流流動速度低，此股氣流最后向上翻卷，匯入尾渦中。

圖7 客車縱向?qū)ΨQ面速度矢量界面圖

(3)從客車尾部500 mm處的速度矢量圖8來看，客車尾部分布有大大小小的三維拖拽渦，其中兩對尺度較大、流速相對較低、流向相反的拖拽渦位于汽車尾部下方且距離地面較近。這是由于地面效應(yīng)造成了氣流速度低，壓強高，車身側(cè)面光滑，氣流流速高，壓強低。結(jié)合尾部500 mm處的湍流動能圖9來看，氣流從底部向車頂流動，同時與側(cè)面來的高速氣流又疊加，這樣會在尾流中形成一對向內(nèi)旋向相反的螺旋流。它延伸到汽車尾部很遠的地方，從而大大消耗了能量，是能量耗散的主要位置，造成氣動阻力的增加。

從湍流動量界面圖10可看出，客車尾部渦流較強且能量耗散較為劇烈的區(qū)域位于客車尾部，這也解釋了客車尾部表面壓力不均勻的原因。

圖8 客車尾部500 mm處速度矢量界面圖

圖9 客車尾部500 mm處湍動能界面圖

圖10 客車湍流動能界面圖

5 結(jié)論

客車外流場的計算結(jié)果表明：客車的阻力主要由車體的正壓和車尾的負壓區(qū)貢獻，風(fēng)阻系數(shù)為0.502，滿足主流客車的阻力系數(shù)(0.4～0.65)要求, 該客車的造型具有良好的氣動性能?？紤]到該客車主要用于城市公共交通樞紐以及可能的城際間交通運輸，故該車的風(fēng)阻系數(shù)已經(jīng)能完全滿足實際工程需求。