非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)條件下車輛氣動(dòng)特性研究＊

鮑歡歡 王勇 周龍 曾翌 陳陣

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082）

非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)條件下車輛氣動(dòng)特性研究＊

鮑歡歡1,2王勇1周龍1曾翌1陳陣2

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082）

為揭示車輛在側(cè)風(fēng)下的氣動(dòng)特性，通過編寫用戶自定義函數(shù)（UDF）實(shí)現(xiàn)來流方向按正弦函數(shù)規(guī)律變化，模擬了車輛的非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)工況。計(jì)算結(jié)果表明：通過UDF連續(xù)改變來流方向的方法可實(shí)現(xiàn)對車輛非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)的模擬；非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)中，尾部流場結(jié)構(gòu)和車身表面氣流分離位置的變化，以及車身上、下部的速度差是氣動(dòng)力波動(dòng)的主要原因。對不同尾部造型車輛的氣動(dòng)特性研究表明，尾部造型對車頂負(fù)壓區(qū)范圍的影響是氣動(dòng)升力差異較大的主要原因。

1 前言

車輛在實(shí)際行駛中始終受到側(cè)向氣流的影響，側(cè)向氣流不僅使車輛具有偏離正常行駛方向的趨勢，而且由于周圍流場結(jié)構(gòu)的變化，還會(huì)對氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力帶來不利的影響。這除了增加車輛燃料消耗外，在高速行駛中，往往會(huì)給行車安全帶來較大的隱患[1]，因此，研究車輛在側(cè)風(fēng)條件下的氣動(dòng)特性對提高車輛高速工況下的行駛安全性更為重要。

汽車風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD仿真是氣動(dòng)特性研究的重要方法。文獻(xiàn)[2]使用CFD仿真對“偏車”和“合成速度”兩種側(cè)風(fēng)模擬方法進(jìn)行了對比研究。文獻(xiàn)[3]使用動(dòng)網(wǎng)格方法對側(cè)風(fēng)條件下的氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)[4]使用牽引模型法對側(cè)風(fēng)條件下的瞬態(tài)氣動(dòng)力和力矩進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對側(cè)風(fēng)條件下車輛的不穩(wěn)定性進(jìn)行了CFD仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，側(cè)風(fēng)的模擬一般采用轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)、牽引模型和側(cè)風(fēng)發(fā)生器，其中轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)和牽引模型只能對穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行模擬，側(cè)風(fēng)發(fā)生器通過引入額外的氣流可對車輛穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，但設(shè)備和試驗(yàn)方法較為復(fù)雜；在CFD仿真中，一般采用模型旋轉(zhuǎn)、合成速度和動(dòng)網(wǎng)格，前2種方法僅能模擬穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)工況，動(dòng)網(wǎng)格方法雖然可對非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行模擬，但動(dòng)網(wǎng)格一般占用計(jì)算資源較多，邊界條件設(shè)置也較為復(fù)雜。因此，需要探討一種快速高效的非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)模擬方法。

本文通過編寫UDF程序定義來流速度方向隨時(shí)間的變化，以此模擬車輛受到的非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)作用，對車輛非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下的氣動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算，得到了車輛氣動(dòng)力和流場結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)側(cè)風(fēng)下的變化，并計(jì)算了尾部造型對氣動(dòng)特性的影響。相比文獻(xiàn)[2]介紹的側(cè)風(fēng)工況計(jì)算方法，在數(shù)值計(jì)算中更為真實(shí)和準(zhǔn)確地模擬了車輛行駛中所受到的側(cè)向氣流。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算模型采用MIRA階梯背模型，該模型廣泛應(yīng)用于汽車氣動(dòng)特性研究中，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

建立的計(jì)算域如圖2所示，計(jì)算域大小為：入口距車頭5倍車長，出口距車尾20倍車長，左、右側(cè)與車輛距離各為10倍車寬，總高度為5倍車高。為避免左、右壁面在側(cè)向氣流沖擊下產(chǎn)生回流，對車輛瞬態(tài)流場計(jì)算產(chǎn)生干擾，設(shè)置入口長度為5倍車寬。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意

使用網(wǎng)格劃分軟件ICEM-CFD在計(jì)算域中生成四面體和六面體的混合網(wǎng)格。為滿足壁面函數(shù)的要求，在模型表面拉伸出棱柱形狀的邊界層網(wǎng)格，邊界層初始厚度為0.5 mm，增長率為1.2，厚度為3.85 mm；為保證流場計(jì)算精度，對模型周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。生成的網(wǎng)格數(shù)量為624萬，最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.139，滿足計(jì)算要求，生成的體網(wǎng)格如圖3所示。

為確保網(wǎng)格劃分的合理性和計(jì)算的可靠性，定義y+為網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離，并設(shè)定其范圍為（30,60）[6]：

式中，ρ為流體密度；μτ為剪切速度；yp為邊界至相鄰控制體中心的距離；μ為運(yùn)動(dòng)粘度。

圖3 劃分的網(wǎng)格示意

3 非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)數(shù)值模擬方法

車輛在行駛中，時(shí)刻受到方向和大小同時(shí)變化的非穩(wěn)態(tài)側(cè)向氣流作用。因此，在CFD仿真中可考慮采用將來流方向在一定頻率下按某函數(shù)規(guī)律進(jìn)行變化的方法模擬非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)。

在數(shù)值仿真中，對水平速度方向的定義可通過定義速度方向分量x、y的大小來實(shí)現(xiàn)，如表示速度方向與水平方向夾角為30°。那么定義x=1，通過定義y在內(nèi)連續(xù)變化，即可實(shí)現(xiàn)來流速度方向在-30°～30°間的連續(xù)變化。

通過編譯UDF程序，在仿真中隨著計(jì)算時(shí)間t的增加，速度方向分量y（t）按正弦函數(shù)規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)對車輛非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)的模擬：

式中，f為速度方向的變化頻率，本文取f=0.5 Hz。

計(jì)算時(shí)間步長Δt為0.001 s，計(jì)算總步數(shù)為2 000步，每個(gè)時(shí)間步長迭代20步，共計(jì)算2 s，即計(jì)算模型在來流一個(gè)周期內(nèi)的氣動(dòng)特性變化。

編譯的UDF函數(shù)為：

數(shù)值計(jì)算采用Realizablek-ε湍流模型[7]，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力和速度耦合采用SIMPLE方法，為提高計(jì)算精度，采用二階迎風(fēng)差分離散格式。計(jì)算中，先對穩(wěn)態(tài)來流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將該流場的速度和壓力分布作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始條件，以提高計(jì)算收斂性和精度。設(shè)定來流速度為30 m/s，夾角β變化范圍為-30°～30°，最大側(cè)風(fēng)為15 m/s。

在入口中心點(diǎn)位置建立速度監(jiān)測點(diǎn)，得到該點(diǎn)的y向速度分布（見圖4），可看到隨著計(jì)算時(shí)間t的增加，其側(cè)向速度Uy呈正弦規(guī)律變化，說明通過UDF編程可在計(jì)算域內(nèi)對連續(xù)非穩(wěn)態(tài)來流進(jìn)行模擬。

圖4 入口中心點(diǎn)Uy隨時(shí)間變化

4 非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)條件下的車輛氣動(dòng)特性分析

4.1 車輛氣動(dòng)力變化情況分析

在對側(cè)風(fēng)條件下的車輛氣動(dòng)特性進(jìn)行分析時(shí)，相比于氣動(dòng)力系數(shù)，氣動(dòng)力可更直觀地反映其氣動(dòng)特性。圖5所示為獲得的模型氣動(dòng)力在不同強(qiáng)度側(cè)風(fēng)條件下的變化情況。在計(jì)算周期內(nèi)，隨著側(cè)向速度的連續(xù)變化，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力呈現(xiàn)近似正弦函數(shù)的變化規(guī)律，兩者在t=0.875 s時(shí)刻附近達(dá)到極大值，在t=1.5 s時(shí)刻附近到達(dá)極小值。氣動(dòng)側(cè)力呈現(xiàn)先正向增加后減小，再負(fù)向增加后減小的變化趨勢，分別在t=0.875 s時(shí)刻和t=1.94 s時(shí)刻附近達(dá)到極值。

氣動(dòng)力的變化情況說明，側(cè)向氣流對模型氣動(dòng)特性的影響不僅體現(xiàn)在氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)側(cè)力上，對模型的氣動(dòng)升力也有較大的影響，側(cè)風(fēng)工況下的最大氣動(dòng)升力可達(dá)118.45 N，這相比無側(cè)風(fēng)工況下的氣動(dòng)升力增加了51倍，這將大大減小車輛輪胎的抓地力，對高速行駛的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

4.2 車身附近流場結(jié)構(gòu)分析

對模型周圍流場結(jié)構(gòu)的分析，可以解釋氣動(dòng)力變化的原因，并通過氣流分離的位置，確定車輛氣動(dòng)優(yōu)化的區(qū)域。

由模型不同時(shí)刻水平截面速度云圖（見圖6）可看到，在t=0.25 s時(shí)刻，模型周圍流場結(jié)構(gòu)近似對稱，隨著Uy的強(qiáng)度增大，流場結(jié)構(gòu)不再對稱，低速區(qū)逐漸增大，在t=1.00 s時(shí)刻形成了一對方向相反的渦流A和B，此刻對應(yīng)的空氣阻力也較大。從t=1.00 s起Uy開始反向增大，整體流線和尾部流場向反方向發(fā)展，渦流A、B逐漸消失后又重新形成，相對應(yīng)地，在1 s＜t＜2 s范圍內(nèi)氣動(dòng)阻力也呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

圖5 MIRA模型氣動(dòng)力隨時(shí)間的變化情況

圖7所示為不同時(shí)刻模型縱對稱截面流場的變化情況，t=0.25 s時(shí)刻，在模型后車窗和備胎艙后方形成了3個(gè)渦流D、E、F，車身上、下氣流的匯流跡線偏向流場下方，隨著Uy的增大，上、下氣流的匯流跡線開始向流場上方發(fā)展，渦流D的范圍開始逐漸減小，渦流E、F的范圍開始變大，兩者相互影響并逐漸融合，在t=1.00 s時(shí)刻，在備胎艙后方融合成一個(gè)大的低速渦流G，根據(jù)伯努利原理，此時(shí)模型尾部的負(fù)壓區(qū)也最大，空氣阻力較大，同時(shí)渦流G也阻塞了車底的氣流通道，將進(jìn)一步降低車底氣流速度，增加模型所受到的氣動(dòng)升力。

圖6 不同時(shí)刻水平截面速度云圖

圖7 不同時(shí)刻縱截面速度云圖

渦流D逐漸減弱，E、F融合的原因是在側(cè)向氣流作用下，原本沿車身縱對稱截面發(fā)展的氣流開始偏離，使得車身表面氣流分離的位置沿車頂逐漸前移，后車窗位置開始直接受到來流的作用，破壞了這一位置的渦流發(fā)展，在流場結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為渦流D逐漸減弱。同時(shí)，來流方向偏離車身軸線后也使得流經(jīng)車身底部的氣流增加，整體流線偏向上方發(fā)展，車底不斷增加的“上卷”氣流與車頂“下卷”氣流互相作用，在備胎艙后部形成了大的渦流G。在1 s＜t＜2 s范圍內(nèi)，來流方向開始反向偏轉(zhuǎn)，模型尾部流場經(jīng)歷了渦流G逐漸分成2個(gè)小渦E、F后又逐漸融合，渦流D逐漸增強(qiáng)后又減弱的周期變化。

同時(shí)，由模型車頂和車底位置的速度分布還可以看出：在0.25 s＜t＜1 s范圍內(nèi)車頂區(qū)域的速度逐漸增大，模型上、下表面的速度差不斷加大，表現(xiàn)為模型的氣動(dòng)升力不斷增加；在1 s＜t＜2 s范圍內(nèi)，模型上、下表面的速度差先減小后加大，模型的氣動(dòng)升力也呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

由圖8所示的模型在t=1.0 s時(shí)刻A柱截面位置的靜壓和流線分布可看到，由于側(cè)向氣流的作用，氣流在模型左側(cè)A柱附近分離，形成壓力極小值區(qū)域，并在車身腰線位置發(fā)生回流，使得模型左側(cè)和頂部出現(xiàn)較大的負(fù)壓區(qū)，這是模型在側(cè)向氣流作用下，氣動(dòng)側(cè)力和升力增大的主要原因。

圖8 模型A柱截面靜壓和流線分布

圖9為在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過粒子圖像測速設(shè)備獲得的模型在15°橫擺角工況下縱對稱截面流場分布，可看到其尾流場的匯流跡線偏向上方，相比文獻(xiàn)[8]展現(xiàn)的模型在0°橫擺角工況下的流線結(jié)構(gòu)，其后車窗后方渦流的范圍和渦流強(qiáng)度較小，備胎艙后部2個(gè)渦流逐漸融合，這與圖7展現(xiàn)的尾部流場結(jié)構(gòu)變化一致，表明本文CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 模型尾部流場PIV試驗(yàn)結(jié)果

5 汽車尾部造型對氣動(dòng)特性的影響分析

由于汽車的外部造型尤其是尾部造型對其氣動(dòng)特性有較大的影響，因此分別對階梯背、斜背、直背3種不同尾部造型的MIRA模型進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下的CFD計(jì)算，分析側(cè)風(fēng)工況下汽車尾部造型對氣動(dòng)特性的影響。

圖10所示為3種模型的氣動(dòng)力隨側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的變化情況，可以看到，其變化趨勢相似，但在氣動(dòng)力變化的極大值點(diǎn)t=0.93 s時(shí)刻，直背模型的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)側(cè)力相比斜背模型分別高出21.55%和73.97%，階梯背模型的升力相比直背模型高出98.87%，尾部造型的差異對氣動(dòng)力的影響非常明顯，尤其是在側(cè)風(fēng)工況下對氣動(dòng)升力和側(cè)力的影響。

圖10 MIRA模型組氣動(dòng)力隨時(shí)間的變化情況

3個(gè)模型氣動(dòng)升力的差異可從縱對稱截面靜壓系數(shù)分布（見圖11）中分析得出，從前車窗頂部位置開始，其靜壓分布出現(xiàn)很大的差異。階梯背模型在后車窗頂部出現(xiàn)氣流分離帶來較大的負(fù)壓，在備胎艙上方也為一負(fù)壓區(qū)，這使得階梯背模型車頂?shù)呢?fù)壓區(qū)范圍最大，表現(xiàn)為其氣動(dòng)升力較大，對車輛高速行駛穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利的影響。但直背模型在車身最后位置才發(fā)生分離，其車頂?shù)呢?fù)壓區(qū)的范圍和大小均小于階梯背模型，這一點(diǎn)從車身表面靜壓分布（見圖12）也可看出，這就使得直背模型的氣動(dòng)升力遠(yuǎn)小于階梯背模型。斜背模型車頂?shù)呢?fù)壓范圍介于階梯背和直背模型之間，在車尾部由于氣流的再附著，甚至出現(xiàn)了正壓。

圖11 MIRA模型組縱對稱截面靜壓系數(shù)分布

圖12 MIRA模型組車身表面靜壓分布情況

氣動(dòng)側(cè)力的差異主要由模型側(cè)面受風(fēng)區(qū)域的大小決定，從圖11和圖12中還可看出，雖然3個(gè)模型前部造型一致，但該位置的靜壓分布也有一定的差異，說明模型尾部氣流狀態(tài)的不同，也影響了模型前部的靜壓分布。

尾部造型對氣動(dòng)阻力的影響主要表現(xiàn)在尾部渦流結(jié)構(gòu)的差異上，圖13所示為模型尾部低速渦流區(qū)的情況，可看到直背模型尾部低速渦流區(qū)最大，階梯背其次，斜背模型最小，低速渦流區(qū)域越大說明其尾部形成的負(fù)壓越大，相應(yīng)地模型前后的壓差阻力也最大，在氣動(dòng)特性上表現(xiàn)為直背模型的氣動(dòng)阻力是最大的。

圖13 MIRA模型組尾部速度云圖

6 結(jié)束語

通過UDF編程連續(xù)改變來流方向可對非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行模擬，在真實(shí)性和計(jì)算資源上相比較其他方法具有一定的優(yōu)勢，與PIV試驗(yàn)獲得的尾部流場信息對比，也一定程度上說明了模擬方法的準(zhǔn)確性。

模型在非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)作用下，其氣動(dòng)力波動(dòng)范圍較大，原因是在周期性非穩(wěn)態(tài)側(cè)向氣流的影響下，模型尾部渦流、備胎艙上方渦流和側(cè)面渦流的范圍和大小呈現(xiàn)周期性強(qiáng)弱變化，這些位置的渦流結(jié)構(gòu)是影響車輛氣動(dòng)特性的關(guān)鍵因素。

不同尾部造型對車輛氣動(dòng)特性的影響比較大，其中氣動(dòng)升力的差異最大，主要由于車頂負(fù)壓區(qū)的范圍和大小不同。較高的氣動(dòng)升力將對車輛高速下的行車穩(wěn)定性帶來隱患，因此，降低車頂負(fù)壓區(qū)的范圍和大小是車輛空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)的重要目標(biāo)。

進(jìn)一步的研究可考慮不同頻率下的來流方向變化對車輛渦流結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)影響氣動(dòng)力變化的關(guān)鍵造型區(qū)域，以提升車輛在高速行駛中的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京：人民交通出版社，2005.

2 龔旭，谷正氣，李振磊，等.側(cè)風(fēng)狀態(tài)下轎車氣動(dòng)特性數(shù)值模擬方法的研究.汽車工程.2010，32（1）：13～16.

3 王夫亮，胡興軍，楊博，等.側(cè)風(fēng)對轎車氣動(dòng)特性影響的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬對比研究.汽車工程，2010，32（6）：477～481.

4 Kobayashi N,Yamada M.Stability of a One Box Type Vehicle in a Cross-Wind-An Analysis of Transient Aerodynamic Forces and Moments.SAE Paper 881878，1988.

5 Guilmineau E,Chometon F.Experimental and Numerical Analysis of the Effect of Side Wind on a Simplified Car Model.SAE Paper，2007-01-0108.

6 Mears A P,Dominy R G.Racing car wheel aerodynamics comparisons between experimental and CFD derived flowfield data.SAE Technical Paper 2004-01-3555.

7 Shih T H,Liou W W,Shabbir A,et al.New Eddy Viscosity ModelforHigh ReynoldsNumberTurbulentFlows.Compute Fluids，1995，24（3）：227～238.

8 鮑歡歡，谷正氣，譚鵬.橫擺角下汽車尾部湍流特征量的PIV試驗(yàn)分析.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2014，29（4）：460～466.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年2月7日。

Research on Automotive Aerodynamic Characteristics in Unsteady Crosswind

Bao Huanhuan1,2,Wang Yong1,Zhou Long1,Zeng Yi1,Chen Zhen2
（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 401122;2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082）

To reveal the aerodynamic characteristics of vehicle in crosswind,the flow direction change according to sine function are achieved by User-Defined Function（UDF）,and vehicle aerodynamic characteristics in unsteady crosswind was simulated.The results of calculation show that the unsteady crosswind simulation of vehicle can be realized by UDF which continuously changes the flow direction.In unsteady crosswind,the change of tail flow field structure,the flow separation position of body surface and the speed difference of the upper body and lower body are the main causes for aerodynamic force fluctuations.The aerodynamic characteristics of different car tail shapes can also be explored and it shows that the influence range of different tail shape on roof negative pressure under the crosswind is the main cause for the differences of aerodynamic lift.

Unsteady crosswind,UDF,Aerodynamiccharacteristics,Tail shape

非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng) UDF 氣動(dòng)特性 尾部造型

U461.1；O355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1000-3703（2017）10-0018-06

重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)（基于風(fēng)洞的汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及應(yīng)用）。