汽車外部電子后視鏡尾流區(qū)域氣動特性研究

李少峰，武建德，王 鵬，劉東曜

(中北大學機械工程學院，山西 太原 030051)

汽車在道路上行駛時，流經(jīng)后視鏡外緣的氣流會分離并形成類似于卡門渦的湍流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在后視鏡尾部沿氣流流向移動，拖出一段較長距離，同時該結(jié)構(gòu)中還存在規(guī)則的渦系[1-3]。湍流結(jié)構(gòu)中的渦流和氣泡及其與汽車車身覆蓋件和側(cè)窗玻璃等的相互作用是引起后視鏡氣動噪聲的主要原因。本文基于SSTκ-ω湍流模型模擬風洞仿真實驗分析的方法，研究了后視鏡尾流區(qū)域的氣動特性，并依據(jù)仿真結(jié)果分析電子后視鏡的優(yōu)勢和其對整車氣動特性的影響機理，進而為后視鏡的聲學與氣動優(yōu)化提供參考[4-8]。

1 電子后視鏡與傳統(tǒng)后視鏡的模型分析

傳統(tǒng)鏡面后視鏡利用反射原理，可將汽車兩側(cè)的道路信息反饋給駕駛者，但存在一定的局限。首先盲區(qū)大，受調(diào)整角度和鏡面反饋面積所限，視野狹小。其次風阻系數(shù)大，汽車的風阻系數(shù)通常在0.3左右，雖然某些車型甚至能小到0.23左右，但就后視鏡而言，其風阻系數(shù)能達到0.01～0.03，對整車風阻影響很大，會增加3%～6%的空氣阻力，使得油耗上升，且增大高速行駛時的風噪[9]。鑒于以上因素，一種基于攝像頭和液晶顯示屏的電子后視鏡日益受到關(guān)注，其原理是通過攝像頭將路況信息傳輸至顯示屏，避免了駕駛員擺頭觀察左右后視鏡。電子后視鏡上的廣角攝像鏡頭以及各類圖像處理技術(shù)的運用，在最大限度消除盲區(qū)的同時，還能拓展視野，提高駕車安全性。另外，因為電子攝像頭后視鏡無鏡面，因此體積相對縮小，風阻系數(shù)降低，燃油經(jīng)濟性得到改善，汽車效能提升，更加符合空氣動力學原理[10]。本文基于CFD(computational fluid dynamics，計算流體動力學)原理，通過對電子后視鏡進行仿真，對其尾流區(qū)域的氣動特性進行研究，并通過對傳統(tǒng)后視鏡的仿真來進行對比驗證，圖1所示為電子后視鏡與傳統(tǒng)后視鏡的模型。

圖1 汽車外部后視鏡模型

2 數(shù)值模擬參數(shù)的設置

2.1 建立仿真計算模型

對照汽車風洞實驗的方法創(chuàng)建仿真風洞模型，然后把后視鏡模型放置于長1 200mm、寬1 000mm的平板上。風洞模型的尺寸如下：長10 200mm，寬4 000mm，高1 200mm。風洞流場入口距平板的距離為3倍的平板長，出口距平板的距離為4.5倍的平板長，平板在風洞模型中左右對稱，如圖2所示。

圖2 仿真風洞CAD幾何模型

仿真風洞模型流體計算域的網(wǎng)格劃分采用Hypermesh與TGrid相結(jié)合的方式。利用Hypermesh對在CATIA中創(chuàng)建的計算域和后視鏡幾何模型作面網(wǎng)格的劃分，后視鏡表面最小網(wǎng)格尺寸為 2mm，安放后視鏡的平板表面最大網(wǎng)格尺寸是10mm。流體計算域的底面采用漸變式網(wǎng)格劃分，最大尺寸為100mm，面網(wǎng)格總數(shù)約為48.35萬，圖3所示為仿真風洞模型流體計算域。

圖3 仿真風洞模型流體計算域

為滿足電子后視鏡壁面湍流黏性邊界層計算需要，風洞模型采用“三棱柱-三角型-四面體”混合網(wǎng)格生成方法。生成面網(wǎng)格后，利用TGrid軟件將后視鏡表面拉伸出三棱柱網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度為0.01mm，呈線性增長，斜率為0.2，共拉伸10 層，總高度為9.1mm。當邊界層生成后，需要對整個流體計算域作四面體網(wǎng)格劃分，以形成半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格耦合形式[11]。漸變式劃分整個仿真風洞模型的網(wǎng)格，即離后視鏡近的網(wǎng)格細密度要得到保障，遠的區(qū)域要適度稀疏，目的在于滿足計算精度的同時充分考慮計算效率，計算域體網(wǎng)格最終數(shù)量約581萬，圖4為后視鏡表面局部區(qū)域放大圖。

2.2 數(shù)值模擬參數(shù)的設置

基于Fluent進行仿真模擬實驗，流體計算域的入口處來流設置為自由流。出口處對氣流影響不大，此處設置為不可壓縮的自由流。入口處邊界條件設置：速度入口氣流流速為27.78m/s，依據(jù)汽車風洞仿真實驗經(jīng)驗值確定湍流強度值為0.5%，水力直徑根據(jù)式(1)進行計算：

圖4 后視鏡表面局部區(qū)域放大圖

(1)

式中：D為水力直徑，即非圓管的特征長度；A為來流斷面面積；P為來流斷面周長。

仿真風洞模型流體計算域來流斷面形狀為矩形，尺寸為高1 200mm、寬4 000mm，于是得到水力直徑為1 846mm。出口處邊界條件設置：出口處設置為壓力出口，表壓設為0 Pa；后視鏡、平板及流體計算域的上、下、左、右面全部設置為固定壁面。表1即是對邊界條件參數(shù)設置的匯總。

表1 邊界設置條件

2.3 湍流數(shù)學模型的選擇

在本文仿真風洞實驗的計算中，求解選用混合模型SSTκ-ω方程[12]。κ-ε模型與κ-ω模型通過一個聯(lián)系函數(shù)結(jié)合即可得到SSTκ-ω模型。設φ1，φ2和φ3為聯(lián)系函數(shù)，則κ-ω模型、κ-ε模型和SSTκ-ω湍流模型之間的函數(shù)關(guān)系可用式(2)表示為

φ3=F1φ1+(1-F1)φ2

(2)

式中：F1為混合函數(shù)，其作用是實現(xiàn)κ-ω模型與κ-ε模型間的過渡[13]。式(2)的具體表達和常量取值可參見文獻[14]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬流程

整個風洞仿真計算流程如圖5所示，過程共分為3個部分，即前處理、求解和后處理。在計算前后過程中，需要對必要環(huán)節(jié)進行反復修改，以確保仿真過程的規(guī)范性和方法的正確性，便于做進一步的氣動特性分析。

圖5 數(shù)值模擬流程圖

3.2 后視鏡的區(qū)域氣動特性仿真分析

對整車的氣動噪聲和氣動阻力影響較大的地方是后視鏡尾流區(qū)域。為了更好地分析該電子后視鏡尾流區(qū)域的影響機理，本文在流體計算域中創(chuàng)建了3個兩兩垂直的平面，且3個平面分別平行于xy，yz和xz平面，如圖6所示。

圖6 新建后視鏡附近區(qū)域的3個平面示意圖

圖7和圖8為3個平面上的壓力云圖。通過對平面1、平面2和平面3上的電子后視鏡與傳統(tǒng)后視鏡壓力云圖分析，可以看到本文的電子后視鏡氣流分離與再附著程度不大，前部的壓力梯度變化較小，同時沿x軸向，湍流區(qū)向兩端偏移，壓力脈動要優(yōu)于傳統(tǒng)鏡面后視鏡[15]。因為優(yōu)化了后視鏡底端構(gòu)型特征，因此湍流脈動壓力的變化在一定程度上能夠得到削減，聲源分布得到有效改善。

圖7 平面上的電子后視鏡靜壓力云圖

圖8 平面上的傳統(tǒng)鏡面后視鏡靜壓力云圖

兩后視鏡速度矢量圖反映在平面1、平面2和平面3上的情況如圖9和圖10所示。由圖可知，平面1上傳統(tǒng)后視鏡相對于電子后視鏡渦流更為不規(guī)則。當氣流流經(jīng)后視鏡外緣后，渦流運動的同時存在能量消耗，但消耗的能量可在氣流與渦流間的剪切力做功中得到補充，保持渦流呈周期性變化。平面1、平面2和平面3上雖均有輕微反向渦流，但流經(jīng)后視鏡外緣的氣流與渦流流向基本是一致的。

圖9 平面上電子后視鏡速度矢量分布圖

圖10 平面上傳統(tǒng)后視鏡速度矢量分布圖

為便于確定電子后視鏡后部的渦流區(qū)域，創(chuàng)建兩個與xy平面和yz平面平行的面，如圖11所示。

圖11 與xy平面和yz平面平行的平面示意圖

湍流的尺寸可通過圖11新建兩平面上的渦流尺寸來確定。圖12和圖13為分別與xy平面和yz平面平行的面上的流線圖。

圖12 與xy面平行的面上的流線圖

由圖12和圖13可知，電子后視鏡相對于傳統(tǒng)后視鏡尾部區(qū)域湍流結(jié)構(gòu)較好，沿y軸的負方向看，流場形成的湍流區(qū)域約為該電子后視鏡輪廓的75%。為了系統(tǒng)分析該區(qū)域的氣流運動特性，于是創(chuàng)建平行于xz的平面(如圖14所示)，該平面上的流線圖如圖15所示。

圖13 與yz面平行的面上的流線圖

圖14 與xz面平行的平面示意圖

圖15 與xz面平行的面上的流線圖

由圖15可見，電子后視鏡尾部區(qū)域的平面上中部的氣流速度較兩側(cè)低，同時中部區(qū)域形成了一個低速層，且存在一個渦流中心，該渦流中心隨氣流的不斷運動均勻發(fā)散，而傳統(tǒng)后視鏡尾部區(qū)域的流線相對紊亂。因為電子后視鏡尾部區(qū)域渦團相較傳統(tǒng)后視鏡更接近鏡片位置，所以該電子后視鏡對整車氣動噪聲尤其是對主駕駛位的聲壓級的改善更加明顯。

4 結(jié)束語

由本文的研究結(jié)果來看，該電子后視鏡相對于傳統(tǒng)鏡面后視鏡在降低整車氣動噪聲和氣動阻力方面優(yōu)勢明顯。研究的方法和結(jié)果不僅為今后電子后視鏡的聲學與氣動優(yōu)化提供了理論參考，還對相關(guān)理論研究與工程開發(fā)有一定參考價值。但由于該研究結(jié)論沒有試驗的支撐，因此研究結(jié)果具有一定局限性，需要后續(xù)進一步試驗驗證，以提高研究方法和研究結(jié)果的可靠性。

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