敞篷車與硬頂車流場特性的CFD對比研究*

王 東,章辰益,李理光

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

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2015014

敞篷車與硬頂車流場特性的CFD對比研究*

王 東,章辰益,李理光

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

采用經(jīng)過有效性驗證的計算流體力學(xué)方法，對某敞篷車及其硬頂變型車進行流場數(shù)值模擬。計及前端進氣、內(nèi)流場和地面效應(yīng)的影響，得到了敞篷車與硬頂車的外流場。通過敞篷車與硬頂車流場特性的對比分析認(rèn)為，敞篷車較大風(fēng)阻的產(chǎn)生機理主要在于座艙區(qū)域的低壓分離氣泡和回流渦旋不受控制地向車尾拖曳。通過適當(dāng)改變敞篷車前風(fēng)窗和車背造型，有效控制分離氣泡和座艙回流，使風(fēng)阻降低了16%。文中對風(fēng)阻產(chǎn)生機理的分析，為敞篷車造型設(shè)計與氣動性能優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。

敞篷車；CFD；流場特性

前言

汽車在高速行駛時的空氣阻力在所受到的所有阻力中占據(jù)大部分，通過降低汽車空氣阻力的方法來提高燃油經(jīng)濟性比其他汽車節(jié)油技術(shù)成本更低，因此在過去的幾十年里，汽車空氣動力學(xué)研究在整車開發(fā)過程中一直處于十分重要的地位。

國內(nèi)外研究人員在優(yōu)化汽車造型、降低風(fēng)阻方面做了大量的計算機仿真和實驗工作，并發(fā)現(xiàn)對于普通三廂轎車，合適的A柱造型和前后風(fēng)窗角度設(shè)計能較大程度地降低汽車風(fēng)阻[1-3]。此外，在汽車尾部造型對氣動性能影響方面，也有不少研究成果[1,4-6]。敞篷轎車由于其敞開式的車頂，使車內(nèi)所有內(nèi)飾件和乘客均暴露在外部流場中，因此其流場結(jié)構(gòu)比封閉式車頂?shù)某擞密噺?fù)雜得多。在敞篷車的空氣動力學(xué)研究方面，文獻[7]中對某敞篷車進行了空氣動力學(xué)實驗，并提出了可能的優(yōu)化改進方向；文獻[8]中著重比較了敞篷車和兩廂車不同側(cè)窗開閉情況下的駕駛室流場，提出了在前風(fēng)窗后緣加裝擾流板的優(yōu)化方案。

目前針對敞篷車的相關(guān)研究較少，而對燃料電池驅(qū)動的敞篷車空氣動力學(xué)研究更屬于空白，本文中在考慮前端進氣、內(nèi)流場、底盤結(jié)構(gòu)和地面效應(yīng)影響的情況下，對某燃料電池敞篷車和硬頂車的流場進行仿真，對比其流場特性，進行一系列造型優(yōu)化數(shù)值模擬探究，分析驗證敞篷車產(chǎn)生較大風(fēng)阻的機理，為優(yōu)化其空氣動力性能提供重要依據(jù)。

1 敞篷車與硬頂車的幾何模型

圖1為敞篷車與硬頂車的全尺寸幾何模型示意圖，兩車的總體尺寸一致，長4.23m，寬1.7m，高1.245m，在造型上除了車頂結(jié)構(gòu)不同外，其余部件均相同。為能真實地模擬敞篷車行駛時車內(nèi)外流場的相互影響，在敞篷車的仿真模型中保留了所有內(nèi)飾部件幾何特征，并添加了兩個人體模型。

在內(nèi)部構(gòu)造方面，兩車采用相同的燃料電池驅(qū)動的動力總成。燃料電池車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，在散熱方面需要更多的內(nèi)部冷卻氣流用來為電池、電機和控制器等動力總成部件散熱[9]，因此內(nèi)流場對風(fēng)阻的影響不可忽略，在兩車的仿真模型中保留了前動力艙內(nèi)零件幾何細(xì)節(jié)，如圖2(a)所示。此外，兩車前輪為輪轂電機驅(qū)動，后輪為輪邊電機驅(qū)動；兩車前懸為雙橫臂式懸架，后懸為單縱臂式懸架。考慮汽車底盤對整車外流場的影響，在其仿真模型中保留了底盤部件的幾何細(xì)節(jié)，如圖2(b)所示。

2 仿真環(huán)境設(shè)置與可靠性驗證

2.1 計算域尺寸選取與網(wǎng)格劃分

為了使整車周圍的渦結(jié)構(gòu)在計算域中充分地發(fā)展[10]，整車模型被放置在一個長為12L、寬7W、高5H的計算域中(L、W、H分別為整車的長、寬、高)，車頭距離計算域氣流入口3L，如圖3所示。

采用邊長尺寸2～30mm的三角形面網(wǎng)格對模型和計算域表面進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示；在轎車外表面以yplus值介于30～300之間的標(biāo)準(zhǔn)生成三棱柱邊界層網(wǎng)格；空間采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行空間離散，并在車身周圍流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量約1 900萬。

2.2 求解器和邊界條件設(shè)置

通過求解穩(wěn)態(tài)不可壓縮條件下的Navier-Stokes方程得到壓力場和速度場，環(huán)境溫度為20℃，車速為110km/h，取車長為特征尺寸，雷諾數(shù)約為7.18×106，湍流模型及邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 湍流模型及其邊界條件設(shè)置

2.3 仿真方法的可靠性驗證

MIRA(米拉)標(biāo)準(zhǔn)車模造型接近實際轎車，且在國內(nèi)外不同比例的風(fēng)洞試驗中積累了大量的實驗數(shù)據(jù)[11]，已有不少數(shù)值模擬驗證結(jié)果[12-13]，因此采用1∶1的MIRA模型來驗證仿真環(huán)境設(shè)置的可靠性。網(wǎng)格離散方法、湍流模型和近壁面處理設(shè)置與2.1節(jié)和2.2節(jié)所述一致，通過調(diào)整模擬風(fēng)速，設(shè)置雷諾數(shù)為4.0×106，所得Cd值為0.31，與文獻[11]中德國斯圖加特內(nèi)燃機與汽車工程研究所的風(fēng)洞在相同雷諾數(shù)下實驗得到的Cd值吻合；仿真所得的MIRA標(biāo)準(zhǔn)車模流場對稱中截面速度云圖如圖5所示，其尾流結(jié)構(gòu)與文獻[12]和文獻[13]中的數(shù)值模擬結(jié)果和粒子圖像測速實驗結(jié)果吻合，從而驗證了本文中所采用的CFD方法的可靠性。

3 敞篷車與硬頂車外流場分析對比

采用上述的仿真模型對敞篷車與硬頂車進行流場數(shù)值模擬，得到敞篷車風(fēng)阻系數(shù)比硬頂車風(fēng)阻系數(shù)大37%，從宏觀角度對比兩車縱對稱面上的壓力分布，如圖6所示。兩車從發(fā)動機罩至前風(fēng)窗附近區(qū)域的氣流靜壓梯度分布基本一致；不同的是兩車座艙區(qū)域的壓力分布，敞篷車敞開式的駕駛室區(qū)域內(nèi)均為負(fù)壓區(qū)，且向車尾方向延伸，硬頂車相同位置的負(fù)壓區(qū)僅局限于車頂上方的小范圍內(nèi)。

從氣流分離點角度分析，圖7顯示了敞篷車與硬頂車計算域?qū)ΨQ中面上的速度云圖和流線圖。敞篷車的氣流分離點在前風(fēng)窗后緣處，前風(fēng)窗上表面氣流由于幾何表面突然間斷，無法繼續(xù)向下游平順流動，而下表面氣流速度較低，因此前風(fēng)窗后緣處氣流速度梯度陡增，形成剪切流并向后繼續(xù)發(fā)展，由流線分布可發(fā)現(xiàn)剪切層內(nèi)部渦系復(fù)雜，形成湍流區(qū)；硬頂車光滑連續(xù)的車頂能夠很好地引導(dǎo)上方氣流，使氣流貼近車頂表面平順流動，將氣流分離點推遲到車尾后緣。

從氣流分離區(qū)的大小和氣流回流情況分析，敞篷車與硬頂車相比，由于前風(fēng)窗繞流作用，氣流在座艙區(qū)域第1次分離產(chǎn)生低壓分離氣泡，內(nèi)部形成一對低壓回流渦旋，并向車尾拖曳，延伸至車背上方，在車尾后緣脫離車身表面產(chǎn)生二次分離，增大了形狀阻力；流經(jīng)硬頂車表面的氣流較為平順，直到車尾后緣才產(chǎn)生第1次分離，風(fēng)阻較小，如圖8所示。

經(jīng)過對比分析可得如下結(jié)論，造成敞篷車較大風(fēng)阻的主要原因在于：前風(fēng)窗后緣過早產(chǎn)生的氣流分離點；座艙區(qū)域的低壓回流向車尾拖曳發(fā)展所導(dǎo)致的額外壓差阻力。硬頂車比敞篷車具有更好的氣動造型，因此基于硬頂車的造型來設(shè)計優(yōu)化方案。通過更改前風(fēng)窗造型來推遲氣流分離點的出現(xiàn)，并通過提高車背曲面控制氣流分離氣泡的大小，有效阻止座艙區(qū)域的回流渦旋向車尾拖曳發(fā)展來達到敞篷車氣動減阻的目的。

4 敞篷車外形優(yōu)化與流場分析

4.1 前風(fēng)窗造型修改方案

根據(jù)敞篷車與硬頂車外流場特性對比分析的結(jié)論和減阻措施的推測，以圖7中敞篷車與硬頂車在縱對稱面上流經(jīng)前風(fēng)窗的流線路徑為參考，綜合考慮人機工程和玻璃曲率對強度的影響，來改變前風(fēng)窗造型。在人機工程方面，文獻[14]中對前風(fēng)窗玻璃光學(xué)扭曲現(xiàn)象做了詳盡的研究，并根據(jù)不同駕駛員視線逗留頻率將前風(fēng)窗劃分成不同區(qū)域，得出結(jié)論：前風(fēng)窗玻璃中央偏左區(qū)域為駕駛員視線逗留最頻繁區(qū)域(圖9(a)中的A區(qū)域)，玻璃曲率大小對視覺影響較大；靠近A柱頂端和風(fēng)窗上緣區(qū)域為視線逗留最少區(qū)域(圖9(a)中的B區(qū)域)，玻璃曲率對駕駛員視覺影響很小。

因此對原始造型W0前風(fēng)窗A區(qū)域上方和B區(qū)域內(nèi)的凹凸曲面造型進行光順處理，并使A柱頂端和風(fēng)窗玻璃后緣向車尾方向平緩延伸。為使前風(fēng)窗起到更好的導(dǎo)流效果，推遲氣流分離點，并將剪切流向后引導(dǎo)至車背上緣，將前風(fēng)窗后緣沿著流線方向向后延伸100mm，得到更改后的前風(fēng)窗造型W1，如圖10所示。

對W0和W1前風(fēng)窗玻璃曲面進行曲率分析，如圖11所示，修改后的W1方案曲面曲率變化范圍在原始方案W0的變化范圍之內(nèi)，滿足人機工程中的視覺要求。

考慮玻璃曲率對強度的影響，采用有限元分析對W0和W1前風(fēng)窗施加相同的風(fēng)載荷進行強度校核，結(jié)果如圖12所示，由于修改后的W1方案曲面曲率變化比W0更平緩，因此強度比W0有所提高，從而證明W1風(fēng)窗玻璃造型方案滿足強度要求。

4.2 車背造型修改方案

圖13為敞篷車車背造型的原始方案H0，參考圖7(a)中流經(jīng)敞篷車駕駛室區(qū)域的剪切流流線高度，并基于硬頂車的掀背造型以及圖7(b)中流經(jīng)硬頂車車尾上方的流線路徑，改變敞篷車車背曲面的高度和曲面形狀，得到兩個車背造型的優(yōu)化方案：拉升敞篷車背部曲面，使其高度與駕駛員和座椅高度一致，保留中間凹陷造型，得到H1車背造型方案，如圖14所示。同樣提高車背，使車背曲面高度高于駕駛員和座椅，并填充原始車背中間的凹陷造型，得到H2車背造型方案，如圖15所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析與流場對比

采用上述仿真模型，整車迎風(fēng)面積保持不變，對不同前風(fēng)窗與不同車背方案排列組合得到的敞篷車進行流場數(shù)值模擬，得到相應(yīng)的結(jié)果，如表2和圖16所示。表2中列出了風(fēng)阻系數(shù)變化量。由表可見，W1 H2組合的減阻效果最佳，與原始造型方案相比，風(fēng)阻系數(shù)約降低了16%。

表2 不同前風(fēng)窗與車背造型修改方案下敞篷車的Cd值變化量

圖16示出了對稱中截面氣流速度云圖和流線分布的對比。由圖可見，W1風(fēng)窗與H2車背組合方案有效地阻止了座艙回流渦旋向后拖曳發(fā)展，與敞篷車原始造型的流場相比，分離氣泡顯著減小，因此減阻效果最為顯著。

最后，對原始造型敞篷車與造型優(yōu)化后的敞篷車尾流結(jié)構(gòu)進行對比。在車尾后方沿縱向每隔1.5m截取一個橫截面做出速度云圖和尾跡流線，如圖17所示。兩車尾部在近地面區(qū)域存在一對相同渦旋，主要由于車底部氣流與車身兩側(cè)氣流在尾部匯合卷吸形成；在原始造型敞篷車的尾跡截面圖中還存在一對較小渦旋，主要是由座艙的分離氣泡向后拖曳發(fā)展而來，在優(yōu)化后的尾流中這對渦旋消失，說明H2車背造型有效地阻斷了座艙回流繼續(xù)向車尾發(fā)展，證明了通過推遲氣流分離點和減小座艙區(qū)域氣流分離氣泡的方法來減小敞篷車氣動阻力的有效性。

5 結(jié)論

(1) 計及前動力艙內(nèi)流、底盤結(jié)構(gòu)和地面效應(yīng)影響，經(jīng)過可靠性驗證的CFD仿真方法，得到了某敞篷車和硬頂車的風(fēng)阻系數(shù)與流場。

(2) 通過對敞篷車與硬頂車的流場對比分析，發(fā)現(xiàn)敞篷車高風(fēng)阻的產(chǎn)生機理：前風(fēng)窗后緣處的氣流分離點產(chǎn)生過早，與硬頂車相比有兩次明顯的氣流分離現(xiàn)象，敞篷車總體氣流分離區(qū)較大；座艙區(qū)域的低壓分離氣泡不受控制地向車尾拖曳發(fā)展，造成前后壓差增大，產(chǎn)生額外風(fēng)阻。

(3) 修改前風(fēng)窗造型對Cd值影響顯著，在考慮人機工程的前提下，增大接近前風(fēng)窗后緣處表面曲率能有效降低敞篷車風(fēng)阻，其減阻機理在于推遲了氣流的分離點，并引導(dǎo)氣流平順地越過座艙區(qū)域，過渡到車背曲面，有效縮小座艙區(qū)域氣流分離氣泡，控制座艙回流向車背拖曳發(fā)展，減小了氣流分離區(qū)。

(4) 修改車背造型能對敞篷車減阻起到輔助作用，使前風(fēng)窗的減阻效果更顯著；且提升車背高度，直至有效控制座艙回流向后拖曳發(fā)展，能有效降低敞篷車風(fēng)阻。

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A CFD-based Comparative Study on the Flow Field Characteristicsof a Cabriolet and its Hardtop Variant

Wang Dong, Zhang Chenyi & Li Liguang

SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

A numerical simulation on the flow fields of a cabriolet and its hardtop variant is conducted with CFD technique, being verified for its effectiveness. With consideration of the influences of front end intake flow, internal flow field and ground effect, the exterior flow field of two car variants are obtained. It is held by the comparative analysis on their flow field characteristics that the mechanism causing the higher aero drag of cabriolet is mainly the uncontrolled trailing of the low-pressure separated bubbles and flow-back vortex in compartment area toward rear end. The proper styling change of windshield and rear end results in the effective control of separated bubbles and flow-back vortex, and hence a 16% reduction of aero drag. The analysis on the mechanism of cabriolet’s aero drag in this paper provides an important basis for the styling and aerodynamic performance optimization of cabriolet.

cabriolet; CFD; aerodynamic characteristics

*國家863計劃項目(2011AA11A290)資助。

原稿收到日期為2014年6月16日，修改稿收到日期為2014年9月24日。