方背式MIRA模型射流主動(dòng)控制氣動(dòng)減阻研究

田 思，吳 敏，朱 玲，楊彥君

(奇瑞汽車股份有限公司, 安徽 蕪湖 241000)

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)值仿真技術(shù)得到快速發(fā)展，被越來越多地應(yīng)用于工程實(shí)際中。汽車空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬也可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)也被稱做CFD[1]，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得該方法數(shù)值仿真的效率和仿真結(jié)果的可靠度都有很大的提升[2]。車輛外流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且氣體的流動(dòng)特征是不規(guī)則的，外流場(chǎng)仿真的精確度受很多因素的影響，主要有幾何模型的前處理及建模、網(wǎng)格劃分的類型、物理模型的選取、計(jì)算資源的供給和仿真策略的制定等[3]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用精確度較高的仿真方法，對(duì)數(shù)模外流場(chǎng)進(jìn)行研究。本研究參考文獻(xiàn)[4]，使用CFD仿真軟件STAR-CCM+，采用準(zhǔn)確度高的CFD仿真策略，從網(wǎng)格的類型、湍流模型選取、網(wǎng)格的尺寸3個(gè)方面進(jìn)行分析[5]。

汽車的行駛阻力主要包括壓差阻力和行駛阻力，其中壓差阻力占主要部分，這也是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。氣體流過車身后會(huì)在車身尾部產(chǎn)生流動(dòng)分離，在尾部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻力。通過分析車身尾流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以知道壓差阻力產(chǎn)生的原因，采用相應(yīng)的尾流控制措施減小車輛的氣動(dòng)阻力[6]。流動(dòng)控制技術(shù)主要有被動(dòng)控制與主動(dòng)控制兩大類，目前比較常見的流動(dòng)控制技術(shù)為被動(dòng)控制方式，其措施簡(jiǎn)單，且確定后即可保持不變，如采用導(dǎo)流罩、擾流板等[7]。主動(dòng)控制方式與之相反，其控制是實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的，且隨氣體流動(dòng)的變化而改變，常見的有可調(diào)式尾翼、主動(dòng)進(jìn)氣格柵、定常射流技術(shù)、合成射流技術(shù)、抽吸和吹除等[8-9]。主動(dòng)進(jìn)氣格柵目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于汽車上，該裝置可主動(dòng)改變進(jìn)氣格柵開閉狀態(tài)，控制進(jìn)氣量及風(fēng)阻，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并快速達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的較佳工作溫度。氣體的黏性作用使氣流在物體表面形成一層很薄的附面層，通過一定的流動(dòng)控制手段可以改變氣流的分離狀況，從而實(shí)現(xiàn)減阻[10]。受仿真條件的限制，本研究選用較為簡(jiǎn)單的定常射流主動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)流場(chǎng)施加外部激勵(lì)，通過對(duì)流場(chǎng)輸入能量改變外部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，以減小氣動(dòng)阻力。 本文選用雷諾時(shí)均法SSTk-ω湍流模型對(duì)方背式MIRA模型進(jìn)行射流主動(dòng)控制氣動(dòng)減阻研究。MIRA模型的形狀更接近實(shí)車，其尾流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型周圍外流場(chǎng)的變化影響模型表面壓力的分布，從而決定了阻力系數(shù)的大小?？紤]到其表面壓力又受尾部分離渦的較大影響，因此本研究減阻的重點(diǎn)在于控制模型的尾部分離渦[11]。

傳統(tǒng)的減阻方式是被動(dòng)控制減阻技術(shù)，通過改變局部特征改善流體的流動(dòng)特性[12]，從而實(shí)現(xiàn)減阻。本研究采用主動(dòng)控制的方式，對(duì)流場(chǎng)施加外部激勵(lì)，通過對(duì)流場(chǎng)輸入能量改變外部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，通過對(duì)射流的布置參數(shù)的優(yōu)化來尋找最優(yōu)射流方案，從而減小MIRA模型的氣動(dòng)阻力。首先，根據(jù)前人研究成果選定方背式MIRA模型尾部的3個(gè)位置作為分析對(duì)象，在固定了射流孔的形狀后，采用定常射流的方式，通過改變射流速度的大小，分別探討在這3個(gè)射流位置下不同射流速度對(duì)模型阻力的影響，研究了射流孔的數(shù)量對(duì)模型減阻的影響，以實(shí)現(xiàn)一定程度的減阻。本文分析了減阻機(jī)理，對(duì)射流主動(dòng)控制減阻的研究有重要參考意義[13]。

1 模型選擇及方案設(shè)定

1.1 模型選取

研究汽車氣動(dòng)特性的標(biāo)準(zhǔn)模型有多種，其中常見的模型就有MIRA模型。前人對(duì)MIRA模型進(jìn)行了大量的仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)，有豐富的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考[14]。本文選用快背式MIRA模型作為研究對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型示意圖如圖1所示，尺寸參數(shù)如表1所示。為了研究方便，選用1/4大小的MIRA模型。

圖1 MIRA模型示意圖

序號(hào)號(hào)名稱尺寸/mm1總長(zhǎng)4 1652總寬1 6253總高1 4214軸距2 5405輪距1 2706發(fā)動(dòng)機(jī)罩長(zhǎng)度1 0557輪胎寬度1808車輪半徑3059車窗下沿距離71010前懸53511頂棚高度50812下車身高度70813離地間隙20514倒角半徑15215頂棚寬度1 420

1.2 仿真方案設(shè)定

本文參照文獻(xiàn)[4]所做的研究，采用固定的射流孔形狀和垂直射流的方式，固定射流孔的位置，研究射流速度對(duì)尾流結(jié)構(gòu)的影響。比例模型的阻力主要有摩擦阻力和壓差阻力，其中壓差阻力占主要部分。壓差阻力的形成與模型的尾流結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，因此射流孔的位置設(shè)置在尾部區(qū)域[15]，如圖2所示。為方便研究，本文采用的射流孔形狀是一致的，均為兩端為圓型的矩形射流孔。射流孔關(guān)于模型的縱軸線是對(duì)稱的，兩端圓心的距離為221.6 mm，兩端圓弧的半徑為1.5 mm，孔的深度為10 mm。射流孔的具體形狀尺寸如圖3所示，圖4分別為A、B、C三個(gè)位置下射流孔橫向?qū)ΨQ線到模型最近分離邊界的距離。

圖2 MIRA模型尾部開孔示意圖

圖3 射流孔尺寸

圖4 射流孔位置

2 計(jì)算模型設(shè)置

本文采用1/4快背式MIRA模型，使用整車模型的阻力系數(shù)Cd作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究主動(dòng)控制減阻技術(shù)對(duì)減小整車阻力的作用。采用的數(shù)字風(fēng)洞為16 m×4 m×2.5 m的長(zhǎng)方體計(jì)算域，模型的阻塞約為1%，基本滿足了對(duì)阻塞比的要求[16]。選擇合適的計(jì)算域，模型距入口的距離約為模型長(zhǎng)度的5倍，模型距出口的距離約為模型長(zhǎng)度的9倍，這樣的設(shè)置使模型周圍有足夠大的空間，保證附近特別是尾部的空氣流動(dòng)能充分發(fā)展。為與風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)保持一致，且滿足雷諾數(shù)和湍流強(qiáng)度的要求[17]，設(shè)定60 m/s的來流速度。由于空氣相對(duì)于汽車的流速低于0.3Ma，在汽車外流場(chǎng)的仿真中，空氣可以被看做是理想的氣體[18]，具有不可壓縮性，因此采用離散控制方程，應(yīng)用有限體積法去求解。在求解器的設(shè)置方面，空間離散格式對(duì)計(jì)算的穩(wěn)定性有較大影響，松弛因子對(duì)控制方程的求解速度有較大影響，這兩個(gè)因素都影響著計(jì)算結(jié)果的精確性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文采用適中的松弛因子和滿足2階精度的離散格式[19]。

如圖5所示，模型設(shè)定3層加密體，為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性，第1層加密體的網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較小些。為了更接近實(shí)際工況，需要對(duì)邊界層進(jìn)行模擬[20]，邊界層網(wǎng)格設(shè)置為5層的棱柱層網(wǎng)格，圖6為邊界層網(wǎng)格示意圖?？紤]到邊界函數(shù)對(duì)仿真精確度的影響，本文通過調(diào)整網(wǎng)格的大小，使計(jì)算模型的Y+值處于經(jīng)驗(yàn)值之間，確保對(duì)邊界層流動(dòng)的仿真更準(zhǔn)確[21]。

圖5 幾何模型與網(wǎng)格空間整體布置

圖6 邊界層網(wǎng)格示意圖

計(jì)算模型的物理?xiàng)l件及求解參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3 仿真精確度研究

本文以整車模型的阻力系數(shù)Cd作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，阻力系數(shù)的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中：Cd表示氣動(dòng)阻力系數(shù)；D表示模型阻力；ρ表示空氣密度；v表示來流速度；A表示模型沿著來流方向的正投影面積。研究Re對(duì)模型阻力系數(shù)的影響，以10 m/s為間隔，給定10～100 m/s范圍內(nèi)的10個(gè)來流速度，計(jì)算模型在不同來流下的阻力系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同來流下的阻力系數(shù)對(duì)比

從圖7可以看出：氣動(dòng)阻力系數(shù)整體隨來流速度的增加而減小，且逐漸趨于平穩(wěn)，這是Re效應(yīng)的結(jié)果。當(dāng)Re高于一定值后，模型的氣動(dòng)阻力將會(huì)進(jìn)入自準(zhǔn)區(qū)，氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化受雷諾數(shù)變化影響減小，阻力系數(shù)的變化趨于平緩。本文選用的來流速度為60 m/s，基本達(dá)到模型的自準(zhǔn)區(qū)，可以忽略Re對(duì)模型阻力系數(shù)的影響[22]。當(dāng)來流速度為60 m/s時(shí)，模型阻力系數(shù)為0.379 6。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，方背式MIRA模型的風(fēng)洞試驗(yàn)阻力系數(shù)值為0.376 8[23]，仿真與試驗(yàn)的誤差為0.74%。受多種因素的影響，認(rèn)為此誤差在允許范圍內(nèi)，因此本文仿真的精確度是可信的。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 單射流孔方案初步仿真

本文第2節(jié)介紹了射流孔的布置方案以及開口形狀。分別對(duì)A、B、C這3個(gè)選定位置的射流方案進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，給定5～50 m/s的速度區(qū)間，以5 m/s為間隔，共10種速度方案，通過計(jì)算給定位置下不同射流速度的模型，得到50個(gè)計(jì)算結(jié)果，如表3所示，其中Case 0為原始模型的計(jì)算工況，阻力系數(shù)為0.379 6。在保證計(jì)算精確度的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到各工況下模型的阻力系數(shù)。為使誤差降到最低，仿真的結(jié)果均精確到小數(shù)點(diǎn)后第4位，即萬分位，且取后500步計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 阻力系數(shù)初步仿真結(jié)果

將表3中的數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的折線圖，可以清晰地看到減阻方案的變化趨勢(shì)。圖8中Case 0為給定的原始數(shù)模的阻力系數(shù)，在圖中是一條直線，用來做對(duì)比分析，數(shù)值在這條直線上方的方案阻力增大，在直線下方的方案阻力變小，說明有減阻效果。從折線圖8中可以看出：Case A這個(gè)位置下的減阻工況沒有明顯的減阻效果，而且使模型的阻力增大很多，同時(shí)整體隨著射流速度的增大，阻力有增大的趨勢(shì)；對(duì)于Case B和Case C這2個(gè)位置下的減阻工況，隨著射流速度的增加，模型阻力系數(shù)在基礎(chǔ)值上下浮動(dòng)，說明隨著射流速度的變化，模型周圍流場(chǎng)波動(dòng)較大；在Case B中，當(dāng)射流速度為45m/s時(shí)，模型最小阻力系數(shù)為0.364 2，減阻率為4.1%；在Case C中，當(dāng)射流速度為35 m/s時(shí)，模型最小阻力系數(shù)為0.369 6，減阻率為2.6%， 為了實(shí)現(xiàn)更大的減阻，需要做進(jìn)一步的仿真。

圖8 不同工況下阻力系數(shù)對(duì)比

4.2 單射流孔方案第二輪仿真

經(jīng)過第1輪的仿真分析，已經(jīng)排除了Case A這個(gè)位置下的仿真工況。為進(jìn)一步探討射流速度對(duì)減阻結(jié)果的影響，在Case B工況下，以45 m/s為基準(zhǔn)，在它的兩側(cè)以1 m/s為間隔增加8種射流方案，仿真結(jié)果如表4所示。在Case C工況下，以35 m/s為基準(zhǔn)，在它的兩側(cè)以1 m/s為間隔增加8種射流方案，仿真結(jié)果如表5所示。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在Case B位置的減阻方案中，當(dāng)射流速度是45 m/s時(shí)有最好的減阻效果，因此確定Case B中最優(yōu)減阻方案為射流速度為45 m/s時(shí)的工況，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.364 2，相比原始數(shù)模，阻力系數(shù)降低了4.06%，減阻效果明顯。在Case C位置的減阻方案中，當(dāng)射流速度是34 m/s時(shí)有最好的減阻效果，因此確定Case C中最優(yōu)減阻方案為射流速度為34m/s時(shí)的工況，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.3684，相比原始數(shù)模，阻力系數(shù)降低了2.95%，減阻效果明顯。

4.3 組合射流孔方案仿真

在對(duì)預(yù)設(shè)的幾個(gè)位置進(jìn)行了研究之后，找到各個(gè)位置減阻效果最好的工況，即在B位置采用45 m/s的射流，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.364 2，在C位置采用34 m/s的射流，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.368 4。

表4 Case B阻力系數(shù)第2輪仿真結(jié)果

表5 Case C阻力系數(shù)第2輪仿真結(jié)果

接下來探索組合工況對(duì)減阻效果的影響，即在Case B和Case C這兩個(gè)有效位置同時(shí)開孔，B位置采用45 m/s的射流，C位置采用34 m/s的射流，這個(gè)工況命名為Case B-C，方案示意圖如圖9所示，射流孔的尺寸和布置形式不變。

圖9 組合工況Case B-C方案示意圖

計(jì)算得到組合工況的阻力系數(shù)為0.363 6，相比原始數(shù)模阻力系數(shù)降低4.21%，相比Case B阻力系數(shù)降低0.16%,相比Case C阻力系數(shù)降低1.3%，減阻效果較明顯，有較大的參考意義。后面將對(duì)組合工況下的減阻方案進(jìn)行后處理分析，探索減阻機(jī)理。

4.4 最優(yōu)工況減阻機(jī)理分析

對(duì)最佳減阻工況的計(jì)算結(jié)果做可視化分析，研究射流減阻的減阻機(jī)理。圖10為標(biāo)準(zhǔn)方背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的尾部豎直面上的壓力云圖。由圖10可見：最優(yōu)減阻工況下豎直面上的壓力相較于標(biāo)準(zhǔn)模型有所增大，高壓區(qū)域增大，這就有效地減小了模型的壓差阻力。

圖11為標(biāo)準(zhǔn)方背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的縱向?qū)ΨQ面上的速度矢量圖。由圖11可以看到：優(yōu)化模型的尾部分離渦遠(yuǎn)離車體，分離區(qū)域增大，延遲了車體表面氣流的分離，這是導(dǎo)致模型表面壓力增大的主要原因，有利于減小模型的壓差阻力；在射流孔的附近有較小的回流，會(huì)有一定的能量損耗，但并不影響模型整體的降阻效果。

圖10 尾部壓力云圖

圖11 縱向?qū)ΨQ面上速度矢量圖

圖12為標(biāo)準(zhǔn)模型與最優(yōu)減阻工況的尾部10 mm處橫截面上的速度云圖。從圖12可以看出：減阻方案尾部氣流的流動(dòng)情況得到較好的改善，尾部的負(fù)壓增大，對(duì)模型有較大減阻效果。

圖12 尾部10 mm處橫截面上速度云圖

5 結(jié)論

本文使用數(shù)值模擬的方法，采用定常射流的方式，對(duì)方背式標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型進(jìn)行了減阻研究，通過主動(dòng)控制的手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)外流場(chǎng)流動(dòng)的控制。對(duì)模型尾部各個(gè)可能有效的位置進(jìn)行了仿真分析，探究了射流速度對(duì)減阻效果的影響，得到如下結(jié)論：

1) MIRA模型的主要阻力來自于壓差阻力，減阻的重點(diǎn)在于改善模型尾部的流場(chǎng)，在設(shè)置的3個(gè)可能有效的位置中，有減阻效果的為B、C位置。

2) 射流的速度影響減阻的效果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：在B位置下，當(dāng)射流速度為45 m/s時(shí)，模型的阻力系數(shù)為0.364 2，相比原始模型，阻力系數(shù)降低了4.06%；在C位置下，當(dāng)射流速度為34 m/s時(shí)，模型的阻力系數(shù)為0.368 4，相比原始模型，阻力系數(shù)降低了2.95%。

3) 在組合方案中，模型的阻力系數(shù)為0.363 6，相比原始數(shù)模，阻力系數(shù)降低了4.21%，減阻效果明顯。

4) 在組合方案中，射流改變了模型尾部區(qū)域氣流的流動(dòng)，使流過車體表面的氣流延遲分離，分離區(qū)域增大，提高了模型尾部的負(fù)壓，從而使模型整體的壓差阻力減小。

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