汽車雨刮器的瞬態(tài)氣動(dòng)特性

陳陣，谷正氣, 2，張勇, 2，宗軼琦，黃泰明

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汽車雨刮器的瞬態(tài)氣動(dòng)特性

陳陣1，谷正氣1, 2，張勇1, 2，宗軼琦1，黃泰明1

(1. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲，412007)

通過(guò)編譯用戶自定義函數(shù)(UDF)，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到雨刮器的瞬態(tài)氣動(dòng)特性，并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)分析前風(fēng)窗及雨刮器表面的壓力及流場(chǎng)分布，探討作用在主、副雨刮器上氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力的變化規(guī)律及其對(duì)雨刮器穩(wěn)定性的影響，并引入6個(gè)離散位置的穩(wěn)態(tài)計(jì)算以進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：雨刮器在刮刷過(guò)程中受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力存在最大值，且遵循一定的變化規(guī)律，下行時(shí)受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力比上行的大，上行時(shí)受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力大于穩(wěn)態(tài)值，作用在主雨刮器的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力比副雨刮器的大；采用的數(shù)值模擬方法充分捕捉到雨刮器刮刷過(guò)程中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，所得部分結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相吻合，可用于雨刮器的設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性評(píng)價(jià)。

雨刮器；氣動(dòng)特性；動(dòng)網(wǎng)格；風(fēng)洞試驗(yàn)

汽車在高速行駛時(shí)，雨刮器會(huì)受到浮力作用，當(dāng)雨刮器設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)緊力不足以克服浮力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上浮，這將直接導(dǎo)致前風(fēng)窗上的雨水無(wú)法刮刷干凈，影響駕駛員視野，從而引發(fā)交通事故。同時(shí)，雨刮器的上浮也會(huì)影響其使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。浮力與雨刮器外型決定的氣動(dòng)特性有關(guān)[1?6]，然而，人們對(duì)大部分雨刮器的設(shè)計(jì)并未考慮其氣動(dòng)特性，因此，需要一種普遍而又準(zhǔn)確的雨刮器設(shè)計(jì)和評(píng)估方法。國(guó)外已較早地將數(shù)值模擬應(yīng)用于二維雨刮器模型的氣動(dòng)升力計(jì)算[1?2, 7]。PHILIPPE等[8?10]通過(guò)模擬三維雨刮器的氣動(dòng)特性，研究了雨刮器各個(gè)部件對(duì)氣動(dòng)性能的影響，并提出一種加裝擾流器和翅片的改進(jìn)方案。SéBASTIEN等[11?14]研究了不同外形及不同掛刷角度下雨刮器氣動(dòng)升力的變化規(guī)律；張軍海[15]對(duì)比分析了雨刮器在3種特定位置下的氣動(dòng)特性；YANG等[16]分析了主、副雨刮器的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)特性；LIN等[17]研究分析了雨刮器外型對(duì)其氣動(dòng)力的影響；GAYLARD等[18]分析了雨刮器周圍的流場(chǎng)特性。然而，這些研究都是針對(duì)雨刮器的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)特性進(jìn)行的，結(jié)果難免會(huì)出現(xiàn)一定偏差。準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方法是精確分析雨刮器氣動(dòng)特性的基礎(chǔ)。雨刮器的運(yùn)動(dòng)對(duì)周圍流場(chǎng)產(chǎn)生了巨大的影響，刮雨過(guò)程為瞬態(tài)三維過(guò)程。本文結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行數(shù)值求解，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，通過(guò)編譯用戶自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)雨刮器的瞬態(tài)過(guò)程，對(duì)行駛中汽車雨刮器的瞬態(tài)氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，以便為雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析提供參考。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 雨刮器模型

汽車在行駛過(guò)程中，氣流從引擎蓋流至前風(fēng)窗，然后經(jīng)過(guò)雨刮器，流向A柱和頂棚。汽車的外形結(jié)構(gòu)對(duì)雨刮器周圍的流場(chǎng)有很大影響，這里選用最常用的國(guó)際標(biāo)模MIRA和有骨雨刮器為原型，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。其三維模型如圖1所示。建立長(zhǎng)方體計(jì)算域模擬汽車周圍流場(chǎng)，計(jì)算域入口至車身前部的距離為車長(zhǎng)的3倍，出口至車身后部的距離為車長(zhǎng)的7倍，頂部至車頂?shù)木嚯x為車高的4倍，兩側(cè)至車身兩側(cè)的距離均為車寬的3倍。

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

汽車以30 m/s的速度行駛，馬赫數(shù)小于0.3，因而，汽車周圍流場(chǎng)可看作三維不可壓縮黏性等溫流場(chǎng)，可選取大渦模擬湍流模型(LES)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。將Navier Stokes 方程在物理空間進(jìn)行過(guò)濾得到LES控制方程：

式中：為流體密度；x和x為坐標(biāo)軸分量；和為過(guò)濾后的速度分量；為湍流黏性系數(shù)；為過(guò)濾后壓力；τ為亞格子尺度應(yīng)力[19]。

圖1 汽車與雨刮器的三維模型

為使控制方程封閉，當(dāng)前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型：

式中：為克羅內(nèi)克系數(shù)；為亞格子湍流黏性系數(shù)；S為求解尺度下的應(yīng)力變化張量分量；τ為亞格子尺度應(yīng)力的各向同性部分。計(jì)算邊界條件參數(shù)及求解參數(shù)如表1所示。

1.3 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

采用四面體及三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行控制方程的離散，網(wǎng)格總數(shù)為1 020余萬(wàn)，如圖2(a)所示。

為避免由于網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的額外誤差，必須遵守動(dòng)網(wǎng)格守恒方程。任意1個(gè)邊界移動(dòng)的控制體中，廣義標(biāo)量的積分守恒方程為

式中：為流體密度；為面積向量；為流體的速度矢量；為移動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格速度矢量；為擴(kuò)散系數(shù)；為的源項(xiàng)；為控制體的邊界。

表1 邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置

動(dòng)網(wǎng)格的更新采用網(wǎng)格變形和局部網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的方法。前者的基本思想是將網(wǎng)格單元的各條邊看作彈簧，當(dāng)邊界運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)求解彈簧系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)受力平衡問(wèn)題，來(lái)確定網(wǎng)格點(diǎn)的新位置。局部網(wǎng)格重構(gòu)法是當(dāng)邊界變形導(dǎo)致網(wǎng)格尺寸或畸變率超過(guò)指定的范圍時(shí)，使用插值在計(jì)算域內(nèi)重新生成網(wǎng)格，使網(wǎng)格限定在合理的范圍內(nèi)。

從圖2(b)可看出：雨刮器在運(yùn)行過(guò)程中，前風(fēng)窗網(wǎng)格一部分被拉伸，一部分被壓縮；當(dāng)畸變率超過(guò)設(shè)定值時(shí)，網(wǎng)格即發(fā)生局部重構(gòu)。

(a) 模型網(wǎng)格；(b) 動(dòng)網(wǎng)格變化過(guò)程

定義雨刮器為剛體運(yùn)動(dòng)，速度為1.5 rad/s，取初始位置為0°，主、副雨刮器同時(shí)上行至50°(根據(jù)MIRA及雨刮器的模型特征，上行至50°即可保證駕駛員的安全視野)，停滯0.3 s后下行至初始位置，停滯0.5 s，至此1個(gè)周期結(jié)束，進(jìn)入下個(gè)周期。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其控制函數(shù)如下：

for (=0;<=;++)

{if (2

omega[0]=1.5; \雨刮器上行

else if (2+0.9

omega[0]=-1.5; \雨刮器下行

else

omega[0] =0 \雨刮器停滯

}

1.4 模型驗(yàn)證

計(jì)算得到MIRA模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)d為0.312。為了驗(yàn)證本文采用的數(shù)值計(jì)算方法的正確性，在湖南大學(xué)HD-2邊界層風(fēng)洞中對(duì)MIRA模型進(jìn)行測(cè)力及粒子圖像測(cè)速實(shí)驗(yàn)。MIRA模型為1:3縮比模型，不同風(fēng)速下氣動(dòng)阻力系數(shù)d試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可知：當(dāng)風(fēng)速超過(guò)25 m/s時(shí)，d已變化較小，進(jìn)入“自準(zhǔn)區(qū)”，消除了模型比例縮小帶來(lái)的影響；當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)阻系數(shù)d為0.323 0，與本文仿真所得d相對(duì)誤差僅為3.4%，計(jì)算所得MIRA模型縱對(duì)稱面上流線圖及速度云圖與PIV試驗(yàn)結(jié)果相吻合(如圖3所示)，驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法及結(jié)果的可靠性。

表2 MIRA模型氣動(dòng)阻力系數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)整個(gè)瞬態(tài)刮刷過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，可得出雨刮器受到氣動(dòng)升力的周期性變化規(guī)律，如圖4所示。

從圖4可看出：作用在雨刮器上的氣動(dòng)升力從第3個(gè)周期開始呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性變化，充分實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)效應(yīng)。氣動(dòng)升力沿前風(fēng)窗法向向外，氣動(dòng)阻力為運(yùn)動(dòng)方向的反向。駕駛員處及副駕駛處雨刮器分別為主、副雨刮器，如圖5所示。

1—主雨刮器；2—副雨刮器。

(a) 副雨刮器；(b) 主雨刮器

雨刮器與前風(fēng)窗表面的瞬態(tài)壓力分布、作用在雨刮器上的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力隨刮刷角度變化的規(guī)律和雨刮器6個(gè)離散位置的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖6~10所示。

2.1 瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)特性對(duì)比分析

2.1.1 上行階段

圖7所示為瞬態(tài)上行過(guò)程中截取的幾幅典型的壓力分布圖，據(jù)圖7定性分析雨刮器氣動(dòng)特性的變化機(jī)理。從圖7可見(jiàn)：

1) 雨刮器從0°到5°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，2處雨刮器均離發(fā)動(dòng)機(jī)罩較近，受到前風(fēng)窗與發(fā)動(dòng)機(jī)罩交界處低壓區(qū)的影響較大；隨著雨刮器的遠(yuǎn)離，低壓作用逐漸減弱，這就使得氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力逐漸減小。

2) 雨刮器從5°到27°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，2處雨刮器內(nèi)側(cè)迎風(fēng)面積增大，使得來(lái)流受到雨刮器側(cè)壁的阻滯作用增強(qiáng)；同時(shí)，由于雨刮器的橡膠條和支架構(gòu)成了T型結(jié)構(gòu)，并且與前風(fēng)窗一起形成了凹槽，高速氣流必然在凹槽形成竄動(dòng)，使得作用在雨刮器上的氣動(dòng)升力不斷增大。

3) 雨刮器從27°到50°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)由前風(fēng)窗表面的高壓區(qū)進(jìn)入低壓區(qū)，這時(shí)前風(fēng)窗表面靜壓梯度會(huì)對(duì)雨刮器產(chǎn)生推動(dòng)作用。同時(shí)，雨刮器與來(lái)流方向的夾角逐漸減小，使得雨刮器對(duì)來(lái)流的阻滯作用減弱，故其氣動(dòng)升力不斷減小。

主、副雨刮器全程受到與雨刮器行駛方向相同的氣動(dòng)力影響，如圖6所示。

從圖7可見(jiàn)：副雨刮器在0°到10°運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的前風(fēng)窗與發(fā)動(dòng)機(jī)罩交界處低壓區(qū)的影響逐漸減小，故其受到的推動(dòng)作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為氣動(dòng)阻力減??；在10°到50°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到前風(fēng)窗表面靜壓梯度強(qiáng)度逐漸減小，故其氣動(dòng)阻力呈現(xiàn)回升趨勢(shì)。主雨刮器在整個(gè)上行過(guò)程中均穩(wěn)定地由高壓區(qū)行至低壓區(qū)，同時(shí)受到不斷增強(qiáng)的來(lái)流影響，其氣動(dòng)阻力呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢(shì)。

1—主雨刮器(上行)；2—主雨刮器(穩(wěn)態(tài))；3—副雨刮器(上行)；4—副雨刮器(穩(wěn)態(tài))。

雨刮器運(yùn)動(dòng)角度/(°)：(a) 5；(b) 15；(c) 30；(d) 45

2.1.2 下行階段

瞬態(tài)下行過(guò)程中截取的幾幅典型的壓力分布圖見(jiàn)圖9。從圖9可見(jiàn)：

1) 雨刮器從50.0°到47.2°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)方向與來(lái)流方向相反并且二者夾角逐漸減小，來(lái)流對(duì)雨刮器的阻滯作用隨即增強(qiáng)；另一方面，雨刮器由前風(fēng)窗表面低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)，前方的靜壓大，后方的靜壓小，前后壓差也對(duì)雨刮器造成阻滯作用，使得作用在雨刮器上的氣動(dòng)升力增至最大值。

2) 雨刮器從47.2°到0°的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，2處雨刮器受到靜壓梯度的影響逐漸減弱，來(lái)流對(duì)雨刮器的作用由側(cè)壁轉(zhuǎn)移至上表面，使得雨刮器受到的下壓影響增強(qiáng)，表現(xiàn)為氣動(dòng)升力逐漸減小。在接近發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗交界處的低壓區(qū)時(shí)，主雨刮器受上部低壓及副雨刮器尾流的影響，其氣動(dòng)升力有較小回升。

3) 對(duì)氣動(dòng)阻力而言，從50°到25°附近，主、副雨刮器內(nèi)側(cè)迎風(fēng)面積增大，使其受到運(yùn)動(dòng)方向反向的氣流作用增強(qiáng)，故其氣動(dòng)阻力逐漸增大；在25°到0°這一行程中，雨刮器受到的靜壓梯度強(qiáng)度逐漸減弱，同時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗交界處的低壓區(qū)，故其氣動(dòng)阻力表現(xiàn)為穩(wěn)定降低。

(a) 氣動(dòng)升力；(b) 氣動(dòng)阻力1—主雨刮器(下行)；2—主雨刮器(穩(wěn)態(tài))；3—副雨刮器(下行)；4—副雨刮器(穩(wěn)態(tài))。

2.1.3 穩(wěn)態(tài)階段

從圖6和圖8可知：雨刮器下行階段受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力明顯經(jīng)上行及穩(wěn)態(tài)值時(shí)的大。對(duì)比圖7、圖9及圖10所示的前風(fēng)窗表面的壓力分布可以看出：下行階段雨刮器壓力梯度明顯比上行的大；另一方面，雨刮器下行時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向與來(lái)流方向相反，因此，雨刮器在下行階段受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力較大。雨刮器上行時(shí)受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力大于相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，主要是由于瞬態(tài)模擬可以捕捉到刮刷過(guò)程中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，即雨刮器在瞬態(tài)模擬時(shí)，其上方氣流湍流加劇，形成低壓區(qū)，同時(shí)雨刮器前后的壓力梯度較大，使得瞬態(tài)結(jié)果較大。

2.2 主、副雨刮器氣動(dòng)特性

圖11所示為穩(wěn)態(tài)工況下主、副雨刮器流線分布。氣流流經(jīng)副雨刮器到達(dá)主雨刮器時(shí)，速度大小及方向發(fā)生改變，氣流流向基本與主雨刮器垂直，這就使得主雨刮器迎風(fēng)面積劇增，背風(fēng)面漩渦急劇增強(qiáng)。同時(shí)，由圖12所示的雨刮器處于30°位置時(shí)的速度分布可知主雨刮器前后速度梯度較大，根據(jù)伯努利定理，流速越快，氣流產(chǎn)生的壓力就越小，這就使得主雨刮器受到的壓差影響較大。

雨刮器運(yùn)動(dòng)角度/(°)：(a) 45；(b) 30；(c) 15；(d) 5

雨刮器運(yùn)動(dòng)角度/(°)：(a) 5；(b) 15；(c) 30；(d) 45

30°時(shí)雨刮器周圍速度流線圖分布如圖12所示。從圖12可見(jiàn)：主雨刮器背風(fēng)面氣流紊亂，特別是在接近前風(fēng)窗處產(chǎn)生明顯的漩渦；相較于主雨刮器，副雨刮器在30°位置時(shí)的氣流分布較均勻、平順，因此，主雨刮器受到的氣動(dòng)阻力及氣動(dòng)升力比副雨刮器的大；雨刮器刮臂前后的速度梯度受其運(yùn)動(dòng)工況影響較大，下行時(shí)的速度梯度明顯比上行的大，而上行時(shí)的速度梯度又略比穩(wěn)態(tài)時(shí)的大，下行時(shí)的漩渦位置也較低，范圍也更廣，再次驗(yàn)證了瞬態(tài)結(jié)果大于穩(wěn)態(tài)結(jié)果的結(jié)論。

圖11 30°時(shí)雨刮器周圍穩(wěn)態(tài)速度流線圖分布

(a) 副雨刮器(穩(wěn)態(tài))；(b) 主雨刮器(穩(wěn)態(tài))；(c) 副雨刮器上行至30°；(d) 主雨刮器上行至30°；(e) 副雨刮器下行至30°；(f) 主雨刮器下行至30°

綜上所述，在1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，作用在主雨刮器上的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力的最大值分別為6.50 N和11.20 N，出現(xiàn)在下行47.2°和27°；作用在副雨刮器上的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力的最大值分別為4.25 N和8.65 N，出現(xiàn)在下行47°和24°，此結(jié)果遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)值，與實(shí)際情況相符，并且與文獻(xiàn)[9?11]中的結(jié)果較接近。

3 結(jié)論

1) 瞬態(tài)模擬更真實(shí)地反映了雨刮器在刮刷過(guò)程中的氣動(dòng)特性。在刮刷過(guò)程中，雨刮器受到的氣動(dòng)升力及阻力隨刮刷角度變化并出現(xiàn)較大波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在下行時(shí)某特定角度。

2) 雨刮器下行時(shí)受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力比上行的大，而上行時(shí)受到的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力又大于相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，作用在主雨刮器上的氣動(dòng)升力及氣動(dòng)阻力比副雨刮器的大。

3) 本文采用的數(shù)值模擬方法能較好地用于分析雨刮器的瞬態(tài)氣動(dòng)特性和雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性。

4) 雨刮器和汽車的外形結(jié)構(gòu)、雨刮器的擺動(dòng)頻率、附著在前風(fēng)窗及雨刮器表面的水膜等都會(huì)影響雨刮器的氣動(dòng)特性，以上問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] SAKODA Y, NAKAGAWA H, KAMEYAMA K. Visualization technology of automobile aerodynamic[J]. Flow Visualization, 1986, 6(21): 256?274.

[2] SHIBATA T, SAKODA Y. Research on the automobile wipers floating[J]. Automobile Technology Academic Lectures, 1979, 791: 124?156.

[3] TOSHIKAZU S, MASANORI S, KUNIO N. A study on aerodynamic characteristics of passenger cars[J]. SAE Technical Paper, 1983?11?07.

[4] 谷正氣. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005: 120?125. GU Zhengqi. Automobile aerodynamics[M]. Beijing: China Communications Press, 2005: 120?125.

[5] 袁志群, 谷正氣, 劉金武. 計(jì)及車身附件氣動(dòng)干涉影響的汽車流場(chǎng)數(shù)值仿真研究[J]. 汽車工程, 2010, 32(12): 1033?1037. YUAN Zhiqun, GU Zhengqi, LIU Jinwu. A study on the numerical simulation of vehicle flow field with the aerodynamic interference of attachments considered[J]. Automotive Engineering, 2010, 32(12): 1033?1037.

[6] 劉龍貴, 谷正氣, 張勇, 等. 汽車車身部件氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)量數(shù)值模擬研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(10): 89?94. LIU Longgui, GU Zhengqi, ZHANG Yong, et al. Numerical simulation study of automobile components aerodynamic noise contributions[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(10): 89?94.

[7] TSUNODA A. The aerodynamic characteristics of automobile wipers[J]. Automobile Technology Academic Lectures, 1984, 842: 39?52.

[8] PHILIPPE B, SéBASTIEN J, FRéDéRIC M. Simulation of aerodynamic uplift consequences on pressure repartition: application on an innovative wiper blade design[J]. SAE Technical Paper, 2001?01?1043.

[9] HARASHIMA M, MASUDA A, IMAMURA S. Effect of fin on the wiper lift characteristics in high-speed[J]. Journal of the Visualization Society of Japan, 2000, 20(2): 73?76.

[10] TAKADA K, KOMORIYA T, FURUGORI Y. Numerical simulation of wiper blade uplifting on high speed traveling[J]. The Japan Society of Mechanical Engineers, 2003, 48(38): 38?39.

[11] SéBASTIEN J, DANIEL M, SYLVAIN D, et al. Numerical simulation of wiper system aerodynamic behavior[J]. SAE Technical Paper, 2001?01?0036.

[12] SEUNG-HO L, SUNG-WON L, SANG-HYUK L, et al. Numerical study on aerodynamic lift on windshield wiper of high-speed passenger vehicles[J]. Transactions of the KSME: B, 2011, 35(4): 345?352.

[13] SEUNG-HO L, SUNG-WON L, SANG-HYUK L, et al. Numerical study on aerodynamic lift on windshield wiper of high-speed passenger vehicles[J]. The Proceedings of Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow, 2009, 9(3): 185?190.

[14] JI-SOO H, TAE-KWON K, KWAN-HEE K, et al. A study on the lift characteristics according to the change of blade angle in car wiper[J]. Journal of Korean Society of Mechanical Technology, 2013, 15(1): 27?31.

[15] 張軍海.基于FLUENT的高速機(jī)車氣動(dòng)刮雨器數(shù)值模擬研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2010: 51?53. ZHANG Junhai. Numerical simulation of the aerodynamic wiper on high-speed locomotives based on FLUENT[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University. School of Mechanical Engineering, 2010: 51?53.

[16] YANG Zhigang, JU Xiaming, LI Qinlin. Numerical analysis on aerodynamic forces on wiper system[J]. Recent Progress in Fluid Dynamics Research, 2011, 1376: 213?217.

[17] LIN C F, HUNG M F, TSENG C Y, et al. Numerical investigation of aerodynamic effects on windshield wiper[J]. Journal of Technology, 2005, 20(4): 325?332.

[18] GAYLARD A, WILSON A C, BAMBROOK G S J. A quasi-unsteady description of windscreen wiper induced flow structures[C]//6th MIRA International Conference on Vehicle Aerodynamics. Nuneaton: MIRA Ltd., London, 2006: 25?34.

[19] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 139?142. WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 139?142.

(編輯 陳燦華)

Transient aerodynamic characteristics of windscreen wipers of vehicles

CHEN Zhen1, GU Zhengqi1, 2, ZHANG Yong1, 2, ZONG Yiqi1, HUANG Taiming1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Mechanical Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Combined with the dynamic meshing and user-defined functions(UDF), transient aerodynamic characteristics of wipers were obtained through numerical simulations and were validated by wind tunnel test. Through the analysis of the distribution of the pressure and streamlines around the front windshield and wipers, the change process of the wipers' aerodynamic characteristics and influence of the aerodynamic force on wipers’ stability were discussed. The simulations at six steady discrete locations were also introduced as a contrast. The results show that the maximum values of lift and drag force exist when wipers work, and there is a certain change rule. The lift and drag force is greater than that of ascending, and the force is greater than steady value when wipers descend. The lift and drag force of driver side wiper is greater than that of passenger side wiper. The numerical simulation fully captures the dynamic effects of the wiper, and the results are consistent with those of the wind tunnel experiment, which can be used in the evaluation of the aerodynamic characteristics and design of the vehicle wipers.

windscreen wiper; aerodynamic characteristics; dynamic mesh; wind tunnel test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.042

U461.1

A

1672?7207(2016)10?3597?08

2015?11?23；

2016?01?10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975083)；交通運(yùn)輸部新世紀(jì)十百千人才培養(yǎng)項(xiàng)目(20120222)；中國(guó)高水平汽車自主創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目(2007)；財(cái)政部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(0420036017)(Project(50975083) supported by the National Natural Science Foundation of China? Project(20120222) supported by the National Hundred, Thousand and Ten Thousand Talent Program of Ministry of Transport of China; Project Supported by China High-Level Automotive Innovation Capacity-Building Projects (2007); Project(0420036017) supported by the Innovation Team of Ministry of Finance of China)

陳陣，博士研究生，從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究；E-mail：chenzhen88@hnu.edu.cn