0 前言
在汽车前端模块的开发中，换热模块的通风量和风速分布对换热模块的换热效率有着重要的影响，因此如何准确地得到前端模块在各种工况下的通风量和风速分布显得尤为重要。目前主要的方法有测试法和模拟法，由于测试法周期长费用高，而模拟法具有周期短花费少可以在开发的早期介入等优点，现在越来越多的主机厂开始使用模拟法来辅助前端模块的开发。
模拟法主要使用CFD(Computational Fluid Dynamics)的分析方法，随着计算机技术的发展，在整车开发过程中CFD被用于前舱流场、整车温度场、风阻、风噪声、HVAC等许多方面。在汽车前端模块中散热风扇是一个关键部件，散热风扇在工作时自身处于高速旋转状态，为冷却系统和空调系统以及中冷系统的散热提供动力，因此风扇模型的准确程度对最终的模拟结果有很大的影响。
目前有三种方法可以对风扇进行模拟：MRF模型、风扇动量源模型、瞬态模拟。这三种方法各有优缺点，MRF和风扇动量源都是稳态的方法，相较于瞬态的方法，稳态的方法计算量较小，而瞬态方法有着更高的求解精度。MRF模型需要扇叶的CAD数据，这种模型被较多地用于前舱流场分析中。动量源模型则不要扇叶的CAD数据，在没有扇叶数据的情况下这种模型被较多地使用。瞬态模拟主要有滑移网格(SlidingMesh)法，由于瞬态计算需要大量的计算资源，目前这一方法很少在前舱流场分析使用。
目前有较多的文章研究了MRF模型模拟风扇单体的精度，其中文章[1]指出MRF对旋转域大小很敏感，旋转域越大计算的通风量越大；文章[2-4]分别研究了MRF模型和滑移网格模型的精度，指出MRF模型的误差为10%左右；文章[5]研究了风扇罩对风扇单体性能的影响，有无风扇罩对模拟的结果有较大影响。本文主要研究MRF模型运用到整车后的精度。
1 理论基础
MRF模型适用于对旋转问题的模拟。这种方法主要是将流体域分为旋转域和非旋转域，在非旋转域中求解常规的流体控制方程，而在旋转域中求解通过坐标轴转换得到的新的控制方程：ν=νr+ω×r
通过上面的转换便可以将旋转加速度加入到动量方程中。
MRF模型适用于稳态过程的求解，它要求离开旋转域的流场必须沿旋转轴对称，如果不满足上述使用要求模拟结果可能会出现一定的偏差。对于风扇的模拟要求旋转域要尽可能的大，另外靠近旋转域的非旋转壁面也必须是沿旋转轴对称的。前端模块不能完全满足上述要求的，因为靠近风扇的风扇罩不是完全轴对称的。
2 试验和数值方法
为了研究前舱流场分析中 MRF 模型的精度，需要与试验结果进行对比。而对于汽车来说前端模块的流态较难通过试验的方法得到。目前一个可行的方法是测试风扇前换热器的通风量分布，通过对比换热器的通风量来确定MRF模型的精度。
2.1 试验方法
试验对象为一款三厢轿车，该车型发动机为自然吸气型，其散热风扇采用单风扇的形式。试验前将叶轮式风速传感器布置于冷凝器后(如图1所示)，另外为得到风扇的转速，在风扇上布置了转速传感器。
图1 冷凝器后传感器布点分布图
试验中风扇由外接稳压电源驱动，总共进行了3组测试：风扇不加电、低电压、高电压，每组测试包含汽车从怠速到极速行驶过程中的一些工况点，使试验覆盖车辆常见的行驶工况。为保证足够的测试精度，试验在同济大学环境风洞中进行。
2.2 数值方法
2.2.1 CFD模型
通过STAR-CCM+成熟的包面技术建立整车模型。由于本次分析着重研究前端模块，为更好的保留一些CAD细节，如进气格栅、前端模块等对模拟结果影响较大的部件直接在前处理软件HyperMesh中进行处理(如图2所示)。
图2 HyperMesh处理的前端模块的网格
本文主要考虑两种因素对 MRF 模型模拟精度的影响，第一种因素是旋转域的大小，另一种因素是网格密度。为验证风扇旋转域的大小对计算结果的影响，设计了两种不同大小的旋转域。第一种旋转域的侧面取在风扇罩的内侧，而进出口取在可以整体包裹住扇叶的位置，这是一种半径最大的旋转域取法；第二种旋转域的侧面则取在风扇罩和扇叶之间，而进出口取在扇叶转轴的直线段上(如图3所示)。
图3 两种风扇旋转域示意图(左图为旋转域一，右图为旋转域二)
体网格采用Trimmer网格，初始模型的体网格数量为1200万左右。为比较不同网格密度对计算结果影响，在初始模型的基础上对网格进行了加密，加密的主要区域为前端模块周围、格栅前到风扇后、发动机舱等部位，加密后网格数量为2300万左右(如图4所示)。
图4 两种密度的体网格示意图(左图为初始网格，右图为加密网格)
本文主要进行三种方案的研究：方案一为初始网格+旋转域一、方案二为加密网格+旋转域一、方案三为加密网格+旋转域二。
2.2.2 物理模型和边界条件
模拟为稳态过程，采用三维不可压的Reynolds-averaged Navier Stokes方程和二阶迎风的离散算法，湍流模型使用Realizable K-Epsilon模型，近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment。边界条件为速度进口边界和压力出口边界。其中冷凝器和散热器采用多孔介质模型，多孔介质模型所需的惯性阻尼系数和粘性阻尼系数通过单体测试数据拟合得到。风扇使用MRF模型，同时使用MixingPlane模型，风扇转速与试验一致。
3 仿真结果
3.1 仿真结果处理
由于测试时使用的是叶轮式风速传感器，只能得到各个测点的平均风速和总的平均风速。为了更好的与试验进行对比，需要在相应的测点位置上建立一个辅助面，且辅助面必须与叶轮式传感器的大小位置都保持一致。由于测点较多，可以借助JAVA脚本来减小后处理的时间(如图5所示)。
图5 辅助面示意图
3.2 仿真结果与测试结果对比
三种方案的各测点平均风速与测试数据的对比如图6所示：
图6 各测点与测试数据对比柱状图
通风量误差可以用各方案总的平均风速误差来表征，而风速分布的误差可以用各测点误差平方和的算数平方根(RMS)来表征。三种方案的平均风速误差和RMS对比如图7所示。
图7 各测点与测试数据对比柱状图
由图7可以看出，对比方案一和方案二，两者的平均风速误差较为接近，但是RMS相差较大，表明网格密度对模拟风扇的P-Q性能影响较小，但是对风速分布有一定的影响；对比方案二和方案三，两者的平均风速误差有较为明显的差异，说明风扇区旋转域的大小对模拟风扇的P-Q性能有较大的影响，而两者RMS相差较小，说明旋转域的大小对风速分布影响较小。
方案一和方案二所使用的是较大的旋转域，由于其侧面包含了风扇罩的内壁面，壁面会随着MRF旋转域而转动，因此在壁面处的速度分布较理论情况会出现明显的偏差，理论上在静止的壁面上的速度为零。对于方案三所使用的小的旋转域，其侧面取在风扇罩内壁和扇叶护风圈之间，风扇罩内壁不在旋转域内，其壁面速度的分布符合理论情况，如图8所示。
图8 两种大小旋转域切面速度云图
总体来说使用MRF模型模拟汽车前端模块的通风量和风速分布会产生一定的误差，MRF模型的计算结果低于测试结果，通风量的误差在11%左右。
4 结论
通过本文的研究可以看到，MRF模型对旋转域的大小非常敏感，使用较大的旋转域可以得到比较大的通风量。在选取旋转域的时候不要将旋转域的侧面选在风扇罩的内壁面上，那样会造成风扇罩壁面上速度分布的错误。另外网格的密度对通风量的大小影响较小，但是对风速分布有一定影响。MRF模型对通风量和速度分布的预测与试验有一定的偏差，通风量的误差在11%左右，这一误差与前文提到的研究风扇单体的论文中所得出的MRF精度相一致。综上所述，在汽车前舱流场分析中，MRF模型预测的通风量与试验测试结果有一定偏差，因此用该通风量去校核换热器性能则要考虑相应的误差所产生的影响。
5 下一步工作
由于MRF模型的精度存在一定的问题，下一步需要继续验证不同大小的旋转域对模拟精度的影响，找到一个较为合理的旋转域；另外需要验证其它风扇模型，如风扇源模型和瞬态模拟等方法的计算精度，以得到一种较为精确的前端模块通风量和速度分布的模拟方法。
参考文献
[1] Allan Wang, Zhihui Xiao et.al. Evaluation of the Multiple Reference Frame (MRF) Model in a Truck Fan Simulation. SAE, 2005-01-2067
[2] P. Gullberg et.al. A Correction Method for Stationary Fan CFD MRF Models. SAE, 2009-01-0178
[3] P. Gullberg et.al. An Investigation and Correction Method for Stationary Fan CFD MRF Models. SAE, 2009-01-3067
[4] P. Gullberg et.al. Continued Study of the Error and Consistency of Fan CFD MRF Models. SAE, 2010-01-0553
[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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本文标题：汽车前端风量分析精度研究
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