車身俯仰運(yùn)動時流場的遲滯現(xiàn)象研究*

黃泰明，谷正氣, 文　琪，陳　陣，唐江明

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙　410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲　412007)

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車身俯仰運(yùn)動時流場的遲滯現(xiàn)象研究*

黃泰明1?，谷正氣1,2, 文琪1，陳陣1，唐江明1

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲412007)

摘要：通過LES模擬某轎車在行駛時車身發(fā)生俯仰運(yùn)動的流場瞬態(tài)變化過程, 車身俯仰運(yùn)動規(guī)律為正弦波動，正弦波動的斯特勞爾數(shù)為0.13.利用風(fēng)洞實驗驗證了該方法的準(zhǔn)確性，比較瞬態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者變化規(guī)律相差很大，說明采用準(zhǔn)靜態(tài)模擬無法真實體現(xiàn)汽車實際行駛時的氣動性能.從瞬態(tài)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)車身在最高和最低位置時存在滯后，說明流場在俯仰運(yùn)動過程中存在遲滯效應(yīng).并通過Q-準(zhǔn)則可視化車身周圍的瞬態(tài)流場，從空間和時間上更加深入地了解車身周圍復(fù)雜流場的瞬態(tài)流動.

關(guān)鍵詞：大渦模擬；俯仰運(yùn)動；遲滯；氣動力；Q-準(zhǔn)則

汽車在行駛時經(jīng)常受到周圍環(huán)境以及車身姿態(tài)變化的影響，導(dǎo)致汽車在行駛時所受到的氣動力發(fā)生瞬態(tài)變化，進(jìn)而對行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[1-2].很多學(xué)者采用不連續(xù)變化角度的方式來模擬這種瞬態(tài)變化，該方法也被稱作為準(zhǔn)靜態(tài)模擬[3].但氣動力的瞬態(tài)變化過程是很難通過傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗或者準(zhǔn)靜態(tài)模擬的方法實現(xiàn)的[4].針對這種復(fù)雜的瞬態(tài)流場，采用傳統(tǒng)的雷諾平均模擬(RANS)方法并不適用，而大渦模擬(LES)方法模擬這種復(fù)雜瞬態(tài)流場是一種非常有效的手段[5].

在對復(fù)雜的不穩(wěn)定流場研究時發(fā)現(xiàn)，采用瞬態(tài)方法模擬的流場與準(zhǔn)靜態(tài)模擬的流場之間存在著響應(yīng)的滯后，這種現(xiàn)象也被稱作為遲滯現(xiàn)象[6].目前，國內(nèi)尚無人在汽車外流場領(lǐng)域?qū)Υ爽F(xiàn)象進(jìn)行研究，在國際上也只有少數(shù)學(xué)者對這種現(xiàn)象進(jìn)行了實驗或者是仿真研究[7].他們在針對汽車外流場的遲滯現(xiàn)象研究時所采用的模型大部分都是類車體模型或是簡化模型[8]；且都是在受側(cè)風(fēng)影響工況[9]，而由于路面的不平或者是駕駛員操作引起的車身姿態(tài)發(fā)生俯仰運(yùn)動時外流場的遲滯現(xiàn)象尚無研究.

本文主要采用LES對某轎車車身俯仰運(yùn)動進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，并采用了流場可視化技術(shù)對車身姿態(tài)變化時尾部流場的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了分析與研究.

1模型建立

本文所建立的1∶3比例模型如圖1所示，該車車身長1 588 mm，寬643 mm，高505 mm.在不影響計算精度以及原車型整體氣動性能的前提下，對原始模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略了后視鏡、雨刮器等外凸裝置和復(fù)雜曲面，將底盤簡化為平面.

圖1　車身簡化模型及壓力監(jiān)測點

2計算域、邊界條件及網(wǎng)格劃分

2.1計算域及邊界條件

本文采用商用軟件Fluent進(jìn)行仿真模擬.計算域如圖2所示，計算域入口距車前端5倍車長，計算域出口距車后端8倍車長，計算域頂面與地面間總高度為7.2倍車高，計算域兩側(cè)距車各4倍車寬(如圖2所示).阻塞比約為1.5%，而在空氣動力學(xué)模擬時通常接受的阻塞比為不超過5%[10].邊界條件的具體設(shè)置如表1所示.

圖2　計算域及邊界條件

計算域邊界邊界條件設(shè)置方式入口速度入口v=30m/s,湍流強(qiáng)度0.5%出口壓力出口,出口處相對大氣壓力為0地面Moving-wall邊界,自由滑移壁面車身表面、頂面、側(cè)面wall邊界,無滑移壁面

為了保證瞬態(tài)計算的精度，瞬態(tài)計算時的參數(shù)設(shè)置如表2所示.

表2　瞬態(tài)求解參數(shù)設(shè)置

2.2網(wǎng)格劃分

采用OCTREE方法在商用軟件ICEM CFD將整個計算流域生成非結(jié)構(gòu)化空間網(wǎng)格,如圖3所示.在車身表面拉伸出3層與其平行的三棱柱網(wǎng)格, 以滿足壁面函數(shù)的需求, 精確模擬汽車表面的附面層.計算敏感區(qū)域使用密度盒加密，以達(dá)到局部網(wǎng)格細(xì)化的目的.計算域網(wǎng)格數(shù)目大約為1 030萬.

圖3　 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3計算模型及驗證

3.1LES湍流模型

LES的基本思想是: 用瞬時的N-S方程直接模擬湍流中的大尺度渦，不直接模擬小尺度渦，而小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮.這樣既考慮了小尺度渦對流場的影響，又能求得大尺度渦產(chǎn)生的脈動壓力.為了從湍流瞬時運(yùn)動方程中將尺度比濾波函數(shù)尺度小的渦過濾掉，需要建立一種數(shù)學(xué)濾波函數(shù).

經(jīng)過濾波過后的基于LES 的非定常不可壓N-S方程可表示為：

(1)

(2)

(3)

Smagorinsky提出的基本SGS模型中，SGS應(yīng)力具有如下形式：

(4)

其中，μt是亞格子尺度的湍動黏度.

3.2LES模型試驗驗證

為了驗證本文所選取湍流模型的準(zhǔn)確性，在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞中進(jìn)行了實驗(如圖4所示)，該風(fēng)洞是雙列單回流閉式，試驗段的橫截面為矩形，寬3 m，高2.5 m，面積為7.5 m2，高速試驗段的長度為17 m，最大風(fēng)速為58 m/s，收縮比3.2.在本次試驗時風(fēng)速與仿真風(fēng)速一致為30 m/s,.實驗中采用了1∶3的比例模型，本文中仿真模型與實驗?zāi)Ｐ捅３忠恢?表3中給出了實驗與仿真情況下的氣動力對比，氣動阻力的誤差為4.36%，氣動升力的誤差為9.07%，誤差在可接受的范圍內(nèi).

圖4　PIV測量現(xiàn)場

FdFl實驗11.817/N2.261/N仿真12.332/N2.466/N誤差4.36%9.07%

比較PIV試驗與仿真計算的尾部速度流線圖(如圖6所示)可以發(fā)現(xiàn)：尾部的渦系結(jié)構(gòu)相似、趨勢基本一致，說明選取該湍流模型是可行的.兩者在尾部有一對尾渦，其速度向著渦核減小，并在尾部形成一個回流區(qū).仿真結(jié)果的渦系稍長于實驗結(jié)果，這主要是由于試驗是取多個狀態(tài)的平均值.

4車身俯仰運(yùn)動設(shè)置

汽車在行駛過程中車身俯仰姿態(tài)的變化對瞬態(tài)氣動力有著重要影響，進(jìn)而對汽車的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而Okada的試驗表明車后端所產(chǎn)生的影響比前端要大很多[11].因此，本文采用車身繞前輪中心進(jìn)行仿真(如圖6所示)，車身俯仰運(yùn)動規(guī)律為：

θ=-θ0sinφ(t),式中θ0等于2 deg，車身俯仰運(yùn)動的范圍是從-2 deg到2 deg.所選取的最大俯仰角度比在實際行駛過程中遇到要大很多，主要為了能更好地獲取俯仰運(yùn)動的過程中流場變化規(guī)律.其中φ(t)=2πft，頻率f為10Hz，所對應(yīng)的斯特勞爾數(shù)為0.13，俯仰運(yùn)動的周期為0.1 s.瞬態(tài)計算的時間步長設(shè)為0.000 1 s.

X/mm

X/mm

(a)俯仰運(yùn)動示意圖

t/s

5結(jié)果分析

5.1車身俯仰運(yùn)動時氣動力及Cp的變化

在進(jìn)行瞬態(tài)模擬時，先進(jìn)行初始化，再進(jìn)行瞬態(tài)計算，當(dāng)瞬態(tài)計算達(dá)到穩(wěn)定時，繼續(xù)計算10個周期，并保存每步計算的氣動力結(jié)果，圖7給出了達(dá)到穩(wěn)定后某周期的氣動力結(jié)果.

俯仰角/deg

俯仰角/deg

圖8中是監(jiān)測的點P1和P2的壓力系數(shù).壓力系數(shù)Cp定義為：

其中(p)t是車身表面壓力, U是實驗風(fēng)速,ρ是空氣密度，p為大氣壓力(參考壓力).在本文中，參考壓力點選取在計算域入口上方的頂角處，它保證了所選取的參考壓力點與模型之間有足夠的距離.

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)采用LES模擬時準(zhǔn)靜態(tài)下的結(jié)果與實驗時十分接近，表明采用該方法進(jìn)行仿真是可行的.在瞬態(tài)模擬時結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)模擬時的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，變化規(guī)律完全不一致，如氣動力的最大最小值出現(xiàn)的位置及時間等.這也表明采用準(zhǔn)靜態(tài)的模擬方法不能準(zhǔn)確反映汽車實際行駛時氣動性能.在圖7中可以發(fā)現(xiàn)在車身運(yùn)動到極限位置時(θ=-2 deg和θ=2 deg)，氣動力有波動的現(xiàn)象；從圖8中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)車身在到達(dá)和離開極限位置(θ=-2 deg和θ=2 deg)時，壓力系數(shù)的變化與其他位置也存在著明顯的不同，它們都存在著一定的滯后.氣動力與壓力系數(shù)都是受車身周圍流場的影響，這些現(xiàn)象都說明在極限位置時車身周圍的流場存在著滯后現(xiàn)象，也就是遲滯現(xiàn)象.

p1

p2

5.2遲滯現(xiàn)象

圖9顯示的是從側(cè)面觀察車身周圍的流場結(jié)構(gòu).有很多學(xué)者提出了不同的方法來識別流場的結(jié)構(gòu)[12-13].在本文中選擇Hunt等[12]在1988年提出Q-準(zhǔn)則來識別流場結(jié)構(gòu)，該方法是基于速度梯度的第二不變量的等值面.Q-準(zhǔn)則定義為:

這種方法也被認(rèn)為是識別瞬態(tài)三維渦的最好方法.

從圖9可以看出:在車身俯仰運(yùn)動的兩個極限位置(θ=-2 deg 和θ=2 deg),車身周圍流場存在著遲滯現(xiàn)象.由于遲滯作用的影響，導(dǎo)致車身在同一個半周期內(nèi)運(yùn)動到相同位置時,Cp及氣動力是完全不同的，一個很小的角度變化就可以導(dǎo)致它們發(fā)生很大的變化(圖7和8所示).從圖9還可以看出，在車身俯仰運(yùn)動時,車身周圍的氣流試圖隨著車身運(yùn)動，但由于周圍氣流的特性以及氣流的慣性導(dǎo)致了車身周圍的流場存在時間和空間上的滯后，也使得流場出現(xiàn)了明顯相移現(xiàn)象.

由于相移現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致瞬態(tài)模擬時尾渦以及其它結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)模擬時完全不同.從圖9～圖10可以發(fā)現(xiàn)車身周圍的流場試圖隨著車身的俯仰運(yùn)動而變化，但由于流體特性以及慣性的影響使得在車身即將達(dá)到和離開極限位置時的流場有明顯的區(qū)別，如圖10中當(dāng)車身到達(dá)或者是離開最低位置時尾部尾渦的長度、高度以及形狀都是不同的，同樣在最高位置也有類似區(qū)別.從圖10中還可以發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)模擬與準(zhǔn)靜態(tài)模擬存在很明顯的區(qū)別，兩種狀態(tài)下車身周圍的流場完全不同，這主要是因為在準(zhǔn)靜態(tài)模擬時車身周圍的流場不受前一狀態(tài)的影響.而瞬態(tài)流場存在“記憶”特性，使得車身周圍流場有保持前一狀態(tài)的趨勢，但由于流體特性及慣性使得流場發(fā)生一定變化，導(dǎo)致車身周圍的瞬態(tài)流場在一個周期內(nèi)存在唯一性.

從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車身運(yùn)動到達(dá)或者離開θ=2 deg和θ=-2 deg這兩個極限位置時周圍的流場完全不同.當(dāng)車身的運(yùn)動方向發(fā)生變化時，首先由于車底板與地面間的間隙也發(fā)生變化，導(dǎo)致車身周圍的流場發(fā)生變化.當(dāng)車身將到達(dá)最低位置時，尾部的速度比車身離開最低位置要小，這也導(dǎo)致尾部的負(fù)壓區(qū)離車身更近，上升的尾渦強(qiáng)度也會減小，但由于受到車身周圍流體的特性影響，使得車身在將離開最低位置時的尾渦保持到達(dá)狀態(tài)時的趨勢，這也更進(jìn)一步說明在車身周圍的瞬態(tài)流場存在唯一性.在圖10所示的渦量圖的最高位置時與在最低位置時有著圖12中相似的現(xiàn)象.圖中所示渦的位置、大小以及結(jié)構(gòu)的不同，會導(dǎo)致車身表面的壓力變化，進(jìn)而導(dǎo)致氣動力的變化.由于在車身姿態(tài)發(fā)生變化時，車身周圍的流場受到流場“記憶”的影響，進(jìn)而導(dǎo)致車身周圍的流場在不同的姿態(tài)時流場數(shù)據(jù)也不同.

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車身將到達(dá)和離開θ=-1 deg時，車身周圍的流場結(jié)構(gòu)完全不同，雖然車身周圍的流場受“記憶”功能的影響，但它有足夠的時間去調(diào)整方向，而車身在最高及最低位置時流場無足夠的時間去調(diào)整.從圖12中也可以發(fā)現(xiàn)相同的現(xiàn)象，當(dāng)車身從0 deg向-2 deg方向運(yùn)動到達(dá)-1 deg位置時，車尾底部的流線有向上升的趨勢，而當(dāng)從-2 deg向0 deg方向運(yùn)動到達(dá)-1 deg位置時，車尾上部的流線有向下運(yùn)動的趨勢，同樣在θ=1 deg時有相同的現(xiàn)象.

圖9　Q=20 000時不同位置的等值面圖

圖10　速度梯度張量第二不變量Q=20 000時不同狀態(tài)的等值面圖

(a) 達(dá)到1deg位置時

(b) 離開1deg位置時

圖12　Y=0截面不同位置的流線圖

6結(jié)論

本文采用LES對某轎車車身正弦俯仰運(yùn)動進(jìn)行了瞬態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)模擬分析，采用了流場可視化技術(shù)對車身周圍的流場進(jìn)行了可視化分析，得出以下結(jié)論：

1)采用瞬態(tài)模擬的結(jié)果存在滯后現(xiàn)象，而采用準(zhǔn)靜態(tài)模擬不存在該現(xiàn)象，說明瞬態(tài)模擬能更好地反映汽車行駛的真實流場狀態(tài).

2)采用LES模擬了車身俯仰運(yùn)動的瞬態(tài)流場，通過流場可視化Q-準(zhǔn)則，從空間和時間上更加深入地了解復(fù)雜流場的瞬態(tài)流動，更好地解釋了瞬態(tài)模擬與準(zhǔn)靜態(tài)模擬的結(jié)果之間的差別.

3)由于氣流本身的特性以及慣性作用，使得在車身俯仰運(yùn)動時車身周圍的氣流存在遲滯效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致車身周圍瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)在車身俯仰運(yùn)動時是唯一的.

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Study on the Hysteresis Effects of Flow-field around Road Vehicle Subjected to Pitching Motion

HUANG Tai-ming1?, GU Zheng-qi1,2, WEN Qi1, CHEN Zhen1, TANG Jiang-ming1

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan Univ, Changsha，Hunan410082，China; 2. Hunan Univ of Technology, Zhuzhou, Hunan412007,China)

Abstract:This paper studied the transient flow-field response of a simplified vehicle pitching around its front axle. The transient numerical solver employed is based on the large-eddy simulation. The sinusoidal -pitching motion was imposed on the model, and the Strouhal number was 0.13. The numerical method was validated with wind-tunnel experiments. The change rule of the results between transient simulation and quasi-steady simulation is quite large. It has been found that the quasi-steady simulation cannot reproduce the aerodynamics performance of vehicle driving on road. It has also been found that, from the transient simulation results, there is a time lag at the extreme position, which suggests that the flow-field has hysteresis effects. The complex flow-field of transient flow around the road vehicle was thoroughly understood from the space and time through the Q-criterion to identify the coherent structures of the flow.

Key words:large eddy simulation (LES); pitching motion; hysteresis; aerodynamic force；Q-criterion

中圖分類號：U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：黃泰明(1982-)，男，湖北黃岡人，湖南大學(xué)博士研究生?通訊聯(lián)系人，E-mail:htm426@163.com

基金項目：中央財政支持地方高校專項資金資助項目(0420036017)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA041805); 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室自主課題資助項目(734215002)

收稿日期：2015-01-29

文章編號：1674-2974(2016)04-0052-07