仿生非光滑車外后視鏡罩氣動(dòng)減阻降噪機(jī)理研究

陳鑫 阮新建 汪碩 王寧 王佳寧 潘凱旋

摘? ?要：使用DrivAer汽車模型來研究仿生非光滑車外后視鏡罩減阻降噪機(jī)理. 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了LES（Large Eddy Simulation）和k-ε仿真模型的有效性，說明車外后視鏡會(huì)導(dǎo)致空氣阻力和空氣噪聲增加. 在DrivAer汽車模型外后視鏡罩造型表面應(yīng)用仿生非光滑結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明：車外后視鏡上應(yīng)用仿生非光滑結(jié)構(gòu)，使整車阻力降低5.9%，側(cè)窗外響度降低19.4%;仿生非光滑結(jié)構(gòu)通過改變邊界層流動(dòng)狀態(tài)，促使渦墊效應(yīng)形成，減少來流能量損失，提高流場(chǎng)穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)整車氣動(dòng)阻力和噪聲產(chǎn)生積極的影響.

關(guān)鍵詞：車輛工程;仿生學(xué);風(fēng)洞試驗(yàn);計(jì)算流體力學(xué);減阻降噪

中圖分類號(hào)：U461? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Using DrivAer vehicle model， the mechanism of drag reduction and noise reduction of bionic non-smooth rear-view mirror cover is studied. Wind tunnel experiments verify the validity of LES （large eddy simulation） and k - ε simulation models，and show that the rear-view mirror can increase? air resistance and noise. The bionic non-smooth structure is applied to the surface of rear-view mirror cover of the DrivAer vehicle model. The simulation results show that the reasonable application of bionic non-smooth structure can reduce the resistance of the vehicle by 5.9% and the loudness outside the side window by 19.4%; The bionic non-smooth structure promotes the formation of the vortex pad effect by changing the flow state of boundary layer， which reduces the energy loss of incoming flow， improves the stability of flow field， and then has a positive impact on the aerodynamic drag and noise of the vehicle.

Key words：vehicle engineering;bionics;wind tunnel testing;computational fluid dynamics;drag and noise reduction

隨著全球經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展，汽車作為陸地上快速、便捷的交通工具，其保有量迅速增長(zhǎng). 為滿足人們對(duì)乘坐舒適性的要求，響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召，汽車減阻降噪越來越重要. 汽車的氣動(dòng)阻力和噪聲受汽車造型、車速等因素的影響[1-2]，車身表面眾多造型結(jié)構(gòu)，均會(huì)影響汽車氣動(dòng)阻力和噪聲，尤其是后視鏡A柱區(qū)域是駕乘人員感受最為明顯的噪聲來源. 研究發(fā)現(xiàn)[3]，當(dāng)車速達(dá)到100 km/h時(shí)，汽車的氣動(dòng)阻力與噪聲會(huì)迅速提升，直接影響車輛的動(dòng)力性與乘坐舒適性，因此車外氣動(dòng)減阻降噪的研究具有重要意義.

仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物體表具有眾多減阻降噪特征，工程實(shí)踐上可以得到借鑒和應(yīng)用. 在車身上應(yīng)用不同形態(tài)和空間排布方式的仿生非光滑結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)不同程度的汽車減阻降噪. 在減阻方面，Bechert等[4]對(duì)鯊魚的非光滑體表特征進(jìn)行了研究，提取出3種仿生溝槽特征，并對(duì)其減阻效果進(jìn)行了對(duì)比分析;任露泉等[5]研究了不同仿生非光滑特征的減阻率，以及仿生非光滑特征排布密度和排布方式的減阻貢獻(xiàn)度;Song等[6]的研究表明仿生卵形凹坑能夠減小氣動(dòng)摩擦阻力. 仿生非光滑結(jié)構(gòu)的降噪特性也有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行探討. 任露泉等[7]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用仿生非光滑齒狀形態(tài)，可以延遲湍流場(chǎng)附面層的分離，取得較為顯著的降噪效果;范偉軍等[8]研究表明，汽車后視鏡布置仿生非光滑凹坑能起到一定的降噪效果.

目前，仿生非光滑結(jié)構(gòu)在汽車減阻降噪方面的研究仍有局限，大多是對(duì)氣動(dòng)減阻或降噪的單一研究，鮮有對(duì)兩者進(jìn)行綜合探討的. 本文在吉林大學(xué)課題組研究成果的基礎(chǔ)上[9]，采取風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，分析后視鏡上布置仿生非光滑凹坑的減阻降噪效果，并對(duì)非光滑表面的速度場(chǎng)、氣流脈動(dòng)頻率、邊界層速度、邊界層渦量等進(jìn)行分析，揭示仿生非光滑凹坑的作用機(jī)理.

1? ?網(wǎng)格劃分與湍流模型選擇

1.1? ?計(jì)算域網(wǎng)格劃分

采用1 ∶ 1的DrivAer汽車模型對(duì)后視鏡區(qū)域的減阻降噪進(jìn)行研究，模型長(zhǎng)度L、寬度W和高度H分別為4 612.575 mm、1 752.875 mm和1 418.17 mm. 為了消除阻塞效應(yīng)以準(zhǔn)確模擬出三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算域尺寸應(yīng)參考風(fēng)洞試驗(yàn). 如圖1所示，計(jì)算域的長(zhǎng)、寬、高分別為10L、11W、8H，模型左右對(duì)稱放置在計(jì)算域中間，模型前部與入口距離為2L，模型尾部與出口距離為7L.

網(wǎng)格劃分采用Hypermesh與TGrid相結(jié)合的方法. 車身面網(wǎng)格使用Hypermesh進(jìn)行劃分，具有局部特征的地方采用較小網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密. 體網(wǎng)格劃分在TGrid中進(jìn)行，以面網(wǎng)格為基礎(chǔ)通過拉伸生成棱柱層，計(jì)算域中心體網(wǎng)格以四面體單元為主進(jìn)行生成，最后生成的網(wǎng)格如圖2所示.

1.2? ?湍流模型選用

汽車外流場(chǎng)具有物理模型復(fù)雜、雷諾數(shù)高等特點(diǎn). 采用直接數(shù)值模擬需要極高的計(jì)算資源，受限于計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，直接數(shù)值模擬不能在實(shí)車分析上得到應(yīng)用. 目前工程實(shí)踐上應(yīng)用最多的湍流模型是雷諾時(shí)均模型，因此本文穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬選用k-ε和SST k-ω兩種雷諾時(shí)均湍流模型并在下文對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證. k-ε模型通過壁面函數(shù)求解壁面自由剪切流，通過湍流方程求解湍流中心流動(dòng);SST k-ω是k-ε和k-ω的混合模型，壁面流場(chǎng)采用k-ω湍流模型進(jìn)行求解，遠(yuǎn)離壁面的流場(chǎng)通過k-ε模型進(jìn)行求解[10]. 分別以Φ1、Φ2、Φ3表示k-ω模型、k-ω模型、SST k-ω模型的函數(shù)關(guān)系，具有以下形式：

式中混合函數(shù) F1的作用是完成k-ω模型到k-ε模型的過渡[11]. 同時(shí)，鑒于LES（Large Eddy Simulation）對(duì)瞬態(tài)流場(chǎng)具有更好的解析力，本文采用LES求解后視鏡瞬態(tài)流場(chǎng)噪聲，求解過程收斂后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，之后使用 FW-H方程處理壓力數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓，經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)化之后得到各頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí). 仿真時(shí)邊界條件設(shè)置如表1所示.

2? ?風(fēng)洞試驗(yàn)及仿真方法驗(yàn)證

大部分風(fēng)洞是由管道組成的試驗(yàn)裝置. 可調(diào)節(jié)氣流不斷在管道中循環(huán)流動(dòng)，以模擬汽車在實(shí)際行駛過程中的氣流流動(dòng)效果.

通過DrivAer模型風(fēng)洞試驗(yàn)（見圖3）來驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)仿真模型的準(zhǔn)確性. 仿真與實(shí)驗(yàn)所得到的阻力系數(shù)值如表2所示. 兩組仿真結(jié)果的誤差都小于5%，在工程實(shí)踐所允許的范圍之內(nèi). 由于SST k-ω模型具有自適應(yīng)特性，能夠根據(jù)流場(chǎng)狀態(tài)不同，在k-ω模型和k-ε模型之間進(jìn)行合理過渡，其仿真精度略高，但對(duì)表面網(wǎng)格質(zhì)量要求更高.

DrivAer模型中心平面壓力系數(shù)曲線如圖4所示. SST k-ω和k-ε湍流模型都能較好地預(yù)測(cè)模型中心平面的壓力系數(shù)分布. 但在DrivAer模型前擋風(fēng)玻璃與頂蓋的夾角處，由于汽車結(jié)構(gòu)在這里存在較大的分離角，氣流流經(jīng)此處會(huì)與模型分離，壓力梯度造成的氣流再次附著，使流場(chǎng)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致仿真計(jì)算在此處的數(shù)值精度下降.

圖5為側(cè)風(fēng)窗壓力系數(shù)分布圖. 通過對(duì)比可以看出，SST k-ω模型和k-ε模型的仿真結(jié)果基本一致，均能準(zhǔn)確地模擬出側(cè)窗A柱區(qū)域由于氣流分離所產(chǎn)生的低壓區(qū).

綜上所述，兩組湍流模型都能準(zhǔn)確地模擬出穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，但是鑒于k-ε模型對(duì)于網(wǎng)格精度要求較低，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的求解將采用k-ε模型.

噪聲的瞬態(tài)仿真采用LES，以某SUV風(fēng)洞試驗(yàn)為例對(duì)噪聲仿真的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證. 圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖7為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噪聲的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖. 從圖7中可以看出，兩條曲線的趨勢(shì)基本一致且誤差較小，因此，可以驗(yàn)證此仿真方法對(duì)噪聲求解的可行性.

3? ?仿生非光滑凹坑減阻降噪效果

氣流流經(jīng)汽車表面產(chǎn)生的邊界層分離是氣動(dòng)阻力和噪聲產(chǎn)生的主要原因. 根據(jù)仿生學(xué)研究，生物體表所具有的非光滑凸起和凹坑結(jié)構(gòu)，能起到降低自身運(yùn)動(dòng)阻力和噪聲的作用，如龍虱背部凹坑以及蜣螂頭部凸包. 因此本文根據(jù)仿生學(xué)原理，將仿生凹坑布置在后視鏡上以實(shí)現(xiàn)減阻降噪的目的. 凹坑設(shè)計(jì)依據(jù)邊界層理論，深度小于邊界層厚度，具體大小依據(jù)本課題組的研究經(jīng)驗(yàn)[12]，仿生凹坑布置如圖8所示，在后視鏡上布置深度為3 mm，橫向間距為10 mm的凹坑. 根據(jù)上文分析結(jié)果，分別采用效果更好的SST k-ω模型和LES模型對(duì)原模型與仿生非光滑模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真和瞬態(tài)仿真.

圖9為光滑模型與仿生非光滑模型的中心平面壓力分布圖. 從圖9中可以看出，后視鏡處仿生非光滑凹坑的引入對(duì)整車前部的壓力分布幾乎沒有影響. 仿生凹坑是通過影響流經(jīng)后視鏡的氣流狀態(tài)，改變尾部流場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)整車氣動(dòng)性能產(chǎn)生積極的影響. 觀察尾部壓力分布，仿生非光滑模型行李箱蓋上的壓力有所降低，尾部壓力區(qū)域相較于光滑模型有所升高，因此可以推斷仿生凹坑在后視鏡上的應(yīng)用能夠降低模型的前后壓差和上下壓差，改善整車的阻力系數(shù)與升力系數(shù).

表3為整車阻力系數(shù)和側(cè)窗外響度數(shù)值的仿真結(jié)果. 后視鏡處仿生非光滑的應(yīng)用對(duì)整車的氣動(dòng)阻力和噪聲都產(chǎn)生了積極的影響，整車減阻率達(dá)到了5.9%，側(cè)窗外噪聲響度也降低了19.4%. 因此，可以確定仿生非光滑結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用能起到汽車減阻降噪的效果.

4? ?仿生非光滑減阻降噪機(jī)理分析

以光滑模型和仿生非光滑模型的外流場(chǎng)為研究對(duì)象，從后視鏡尾流結(jié)構(gòu)、側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣流特性、邊界層狀態(tài)等方面對(duì)仿生非光滑凹坑的作用機(jī)理進(jìn)行探討.

4.1? ?側(cè)窗速度場(chǎng)分析

圖10為后視鏡側(cè)窗部位速度分布云圖. 仿生凹坑內(nèi)部是低速旋轉(zhuǎn)氣流，造成了凹坑內(nèi)部的氣流與外部氣流的氣-氣接觸，形成了渦墊效應(yīng). 因此，氣流與模型表面的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，有利于減少來流能量損失，加速氣流通過;同時(shí)有利于延遲氣流分離，穩(wěn)定后視鏡尾渦結(jié)構(gòu)，減小側(cè)窗附近流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)，降低氣動(dòng)噪聲.

為了深入探討仿生凹坑對(duì)速度場(chǎng)的作用效果，在后視鏡尾部等差地取5個(gè)平面，如圖11所示.

圖12為光滑模型和仿生非光滑模型在5個(gè)平面處的流線圖（圖中左側(cè)為光滑模型，右側(cè)為非光滑模型）. 由圖12（a）可知，仿生非光滑后視鏡A柱分離流的渦流結(jié)構(gòu)相較于原模型有明顯減小，可以得出，后視鏡處仿生非光滑凹坑不僅對(duì)后視鏡尾流結(jié)構(gòu)有影響，也對(duì)A柱分離流有很大影響. A柱分離渦的減小，有利于降低側(cè)窗附近氣流脈動(dòng)的劇烈程度，使整個(gè)車身側(cè)面流場(chǎng)脈動(dòng)有降低的趨勢(shì). 由圖12（b）可知，仿生非光滑后視鏡尾部的兩個(gè)主要渦流中心向側(cè)窗外法線方向發(fā)生了移動(dòng)，提高了側(cè)窗平流層的穩(wěn)定性，使側(cè)窗表面附著的碎渦明顯減少，降低了氣流與側(cè)窗的相互作用. 由圖12（c）可知，仿生非光滑后視鏡尾流區(qū)域的兩個(gè)主渦結(jié)構(gòu)已經(jīng)提前匯合，形成一個(gè)主渦結(jié)構(gòu)，有利于降低氣流能量損失，加速氣流流經(jīng)車身表面. 由圖12（d） 可知，在氣流不斷向后發(fā)展的過程中，非光滑模型后視鏡尾部的主渦結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，側(cè)窗表面的氣流波動(dòng)也明顯減少. 觀察圖12（e）發(fā)現(xiàn)，光滑后視鏡尾渦結(jié)構(gòu)在匯合成主渦結(jié)構(gòu)之后又分離形成兩個(gè)渦結(jié)構(gòu)，而仿生非光滑后視鏡尾流依然是一個(gè)主渦結(jié)構(gòu)，說明了仿生非光滑結(jié)構(gòu)的引入能夠提高后視鏡尾流的穩(wěn)定性.

4.2? ?側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)流場(chǎng)特性分析

4.2.1? ?側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)分析

側(cè)窗速度場(chǎng)分析表明A柱氣流分離區(qū)和后視鏡尾流區(qū)的氣流流動(dòng)情況較為復(fù)雜，與文獻(xiàn)[13]分析結(jié)果一致. 為了直觀分析后視鏡所引起的氣動(dòng)噪聲，根據(jù)上述速度場(chǎng)分析選取前風(fēng)窗附近4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖13所示. 仿真過程收斂后監(jiān)測(cè)3 000步，時(shí)間步長(zhǎng)0.000 1 s，采樣時(shí)長(zhǎng)共0.3 s. 獲得的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處脈動(dòng)壓力，通過FW-H氣動(dòng)方程處理得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)，經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)化之后得到各頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)，如圖14所示.

由圖14可知，仿生非光滑結(jié)構(gòu)對(duì)全頻率段噪聲的影響趨勢(shì)基本一致. 但在600 ～5 000 Hz的中高頻區(qū)域噪聲變化更為明顯，600～5 000 Hz屬于人耳聽覺敏感頻率范圍[14]，因此，仿生非光滑結(jié)構(gòu)對(duì)中高頻噪聲的影響是本文研究的重點(diǎn). 對(duì)比4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜圖可以看出：在側(cè)窗附近靠近A柱氣流分離區(qū)設(shè)置的1、3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，聲壓級(jí)出現(xiàn)了不同程度下降，尤其是1監(jiān)測(cè)點(diǎn)，降幅最大達(dá)到10 dB;在側(cè)窗附近遠(yuǎn)離A柱區(qū)域設(shè)置的2、4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，聲壓級(jí)基本沒有變化. 因此可以推斷，由于仿生非光滑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，A柱分離區(qū)的氣流脈動(dòng)壓力波動(dòng)出現(xiàn)了明顯下降. 是因?yàn)榉律枪饣Y(jié)構(gòu)能夠加快穩(wěn)定湍流場(chǎng)的形成，改善A柱氣流分離區(qū)的氣流隨機(jī)波動(dòng)，起到改善側(cè)窗噪聲的作用. 這與上文分析相符.

4.2.2? ?側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)斯特勞哈爾數(shù)

圖15 為4個(gè)側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)處斯特勞哈爾數(shù)（St），其中縱坐標(biāo)為功率譜密度，橫坐標(biāo)為斯特勞哈爾數(shù). St數(shù)表示每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣流脈動(dòng)頻率. 分析4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的St，相較于原始模型，仿生非光滑模型在1、3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣流脈動(dòng)頻率明顯降低; 2、4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣流脈動(dòng)頻率整體變化不大. 結(jié)合上文監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)的分析（1、3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)降低，而2、4監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)變化不大）可以推斷，氣流的脈動(dòng)頻率是影響噪聲水平大小的關(guān)鍵因素.

4.3? ?邊界層流場(chǎng)特性

邊界層雖然很薄，但對(duì)流場(chǎng)的影響卻至關(guān)重要. 仿生非光滑結(jié)構(gòu)主要是通過對(duì)邊界層作用，進(jìn)而對(duì)整個(gè)流場(chǎng)產(chǎn)生影響來改善車身周圍的流動(dòng). 如圖16所示，在后視鏡中面上方4 mm內(nèi)的邊界層內(nèi)平行于地面均勻取4個(gè)平行面，依次命名為Z1、Z2、Z3、Z4（靠近后視鏡平面為Z1），探討邊界層內(nèi)這4個(gè)平面的流動(dòng).

圖17為邊界層內(nèi)瞬時(shí)速度對(duì)比圖，仿生非光滑模型邊界層內(nèi)的速度在整體上相較于光滑模型有一定程度的下降，穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng). 對(duì)比圖18邊界層內(nèi)渦量圖，仿生非光滑模型邊界層內(nèi)渦量有所增加，說明非光滑凹坑的應(yīng)用會(huì)使邊界層內(nèi)速度梯度增大. 因此可以推斷，仿生非光滑結(jié)構(gòu)是通過降低邊界層內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性，使湍流提前發(fā)生轉(zhuǎn)變，促使渦墊效應(yīng)的產(chǎn)生，進(jìn)而改善整體流場(chǎng)的品質(zhì).

5? ?結(jié)? ?論

1）仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了k-ε模型與LES模型的準(zhǔn)確性. 同時(shí)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示外后視鏡尾流區(qū)域存在較大負(fù)壓，會(huì)導(dǎo)致回流和壓力波動(dòng)，是阻力和噪聲增加的主要原因，這為汽車的氣動(dòng)減阻降噪優(yōu)化提供了思路.

2）后視鏡處應(yīng)用仿生非光滑結(jié)構(gòu)，能夠改善整車壓力分布，同時(shí)降低側(cè)窗附近氣動(dòng)噪聲響度，對(duì)于整車的氣動(dòng)阻力和噪聲都有積極的影響.

3）仿生非光滑結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在其對(duì)邊界層流動(dòng)的影響. 仿生非光滑結(jié)構(gòu)能夠降低邊界層內(nèi)速度場(chǎng)穩(wěn)定性，提高邊界層內(nèi)渦量，在壁面形成低速渦，促使渦墊效應(yīng)形成. 有利于減少來流能量損失，改善氣流的脈動(dòng)頻率，對(duì)整車的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生積極的影響.

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