基于非重合滑移網(wǎng)格方法的轎車地面效應(yīng)分析

梁楊

摘 ?要：針對轎車行駛時轎車底部和地面存在的復(fù)雜流場干擾情況，數(shù)值模擬了不同地面邊界條件、不同離地高度下轎車的地面效應(yīng)。采用非定常Navier-Stokes方程作為控制方程，利用基于虛擬網(wǎng)格的非重合滑移網(wǎng)格來模擬地面和轎車之間的相對運動。模擬結(jié)果表明：固定地面由于地面附面層厚度的影響，導(dǎo)致轎車升力及阻力系數(shù)計算偏差較大;移動地面邊界條件下隨著離地高度的增大，轎車阻力系數(shù)減小，升力系數(shù)非單調(diào)變化。文中研究結(jié)果可為高速轎車安全性設(shè)計提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：轎車地面效應(yīng);非重合滑移網(wǎng)格;數(shù)值模擬

中圖分類號：V211;035 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）06-0013-06

Abstract： Aiming at the complex flow field interference between the bottom of the car and the ground when the car is running， the ground effect of the car under different ground boundary conditions and different ground clearances is numerically simulated. The control equation adopts the non-steady Navier-Stokes equation， and the non-coincident slip grid based on the virtual grid is used to simulate the relative motion between the ground and the car. The simulation results show that the fixed ground is affected by the thickness of the ground surface， which results in a large deviation in the calculation of the lift and drag coefficient of the car. Under the boundary conditions of the moving ground， as the ground clearance increases， the drag coefficient of the car decreases， and the lift coefficient changes non-monotonously. The research results of this paper can provide a certain theoretical reference for the safety design of high-speed vehicles.

引言

轎車地面效應(yīng)為車身底部、空氣與地面之間的非線性耦合關(guān)系，其研究本身比較復(fù)雜，同時也是汽車空氣動力學(xué)研究的難點問題之一。轎車在行駛過程中，由于受到地面效應(yīng)的影響，導(dǎo)致轎車的升力、阻力等氣動特性的預(yù)測難度增大，同時也對轎車的穩(wěn)定性、操縱性設(shè)計帶來一定的影響。當(dāng)轎車車速、離地高度不同時，地面效應(yīng)對轎車升力、阻力等氣動特性的影響也不同，轎車距離地面高度過小或者轎車速度過大時，轎車受到的升力過大，導(dǎo)致轎車的前輪失去轉(zhuǎn)彎作用，轎車后輪失去驅(qū)動作用，對轎車行駛的安全性帶來不利的影響。因此，需要尋找一種轎車地面效應(yīng)模擬方法，對轎車不同車速下氣動力特性進行準(zhǔn)確的預(yù)測，保證轎車的行駛安全。

對于地面效應(yīng)的研究，以前主要集中在飛行器起降階段及地效翼方面。隨著計算機水平的發(fā)展，對于轎車地面效應(yīng)的研究也逐漸增多，研究方法主要有實驗和CFD數(shù)值模擬。Schetz J A等[1]在高速風(fēng)洞中，研究了列車地面效應(yīng)特性。潘小衛(wèi)[2]通過連續(xù)可調(diào)風(fēng)洞試驗段，研究了賽車的氣動特性。趙婧[3]在風(fēng)洞中，研究了試驗裝置對汽車地面效應(yīng)模擬結(jié)果的影響。在轎車地面效應(yīng)的實驗研究方法中，國內(nèi)外目前主要集中在對固定地面的試驗條件進行改進，或者采用移動地面，吸入式地面來代替固定地面，這種方法雖然減小了固定地面附面層厚度的影響，使試驗精度得到了一定的提高，但其試驗成本和復(fù)雜程度都大幅增加，在當(dāng)今對汽車氣動力預(yù)測精度及成本要求越來越嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下，運用CFD方法進行轎車地面效應(yīng)模擬變得越來越重要。

近些年來，采用 Navier-Stokes方程作為主控方程，進行轎車地面效應(yīng)CFD數(shù)值模擬的研究越來越多，孫振旭等[4]采用定常RANS方程，對不同側(cè)偏角下地面效應(yīng)對高速列車氣動力的影響進行了研究;林鐵平[5]采用DES方法，對汽車的外流場進行了數(shù)值模擬;傅立敏[6]研究了固定和移動地面邊界條件下轎車的地面效應(yīng);Tyll J等[7]采用移動帶方法，對列車在有無地面效應(yīng)下的氣動特性差異進行了研究。

從國內(nèi)外可查閱的關(guān)于轎車地面效應(yīng)相關(guān)研究文獻中可以看出，主要集中在固定地面條件和準(zhǔn)定常的研究方法，基于移動地面邊界方法的轎車地面效應(yīng)研究，成果較少，主要難點可能存在于移動地面區(qū)域與轎車靜止區(qū)域結(jié)合面的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)，以及高速下轎車的非定常氣動力高精度求解技術(shù)等方面。本文采用非定常N-S方程和非重合滑移網(wǎng)格技術(shù)，數(shù)值模擬不同離地高度下轎車的地面效應(yīng)，分析不同離地高度下地面效應(yīng)對轎車氣動特性的影響規(guī)律，為轎車運行時的穩(wěn)定性設(shè)計提供一定的理論數(shù)據(jù)。

1 ? ?轎車地面效應(yīng)計算模型

轎車計算模型為簡化模型，地面效應(yīng)模擬時基于相對運動的原理，假設(shè)轎車靜止不動，地面移動方向為轎車行駛的反方向，移動速度和車速相同，轎車地面效應(yīng)計算模型如圖1所示：

2 ? ? 流場求解技術(shù)

2.1 ? ?非重合滑移網(wǎng)格技術(shù)

文中移動地面區(qū)域與轎車靜止區(qū)域滑移面采用基于虛擬網(wǎng)格的非重合滑移網(wǎng)格技術(shù)，這使得局部網(wǎng)格區(qū)域塊生成高質(zhì)量的網(wǎng)格成為可能，移動區(qū)域和靜止區(qū)域的網(wǎng)格可以分開生成，甚至各個區(qū)域的網(wǎng)格可以分別進行優(yōu)化，這樣可以保證轎車及地面附近的網(wǎng)格質(zhì)量，并可以對轎車地面附近的粘性附面層進行準(zhǔn)確的模擬，保證轎車地面效應(yīng)模擬的精度。非重合滑移網(wǎng)格中的虛擬網(wǎng)格系統(tǒng)如圖2所示：

圖2中每一個當(dāng)前網(wǎng)格單元的邊界上都有兩層向外連接的虛擬網(wǎng)格單元，虛擬網(wǎng)格單元與當(dāng)前網(wǎng)格單元完全重合連接，通過虛擬網(wǎng)格單元可以獲得當(dāng)前網(wǎng)格單元外部的流場信息，完成滑移面兩個區(qū)域流場信息的傳遞。通過尋找確定與虛擬網(wǎng)格近似重合的相鄰網(wǎng)格單元，計算虛擬單元與相鄰網(wǎng)格單元重疊的體積后，采用體積加權(quán)插值方法可以實現(xiàn)虛擬網(wǎng)格單元的賦值，虛擬網(wǎng)格單元的守恒質(zhì)量、動量及能量賦值如下式所示：

3 ? ?轎車地面效應(yīng)研究

3.1 ? 地面效應(yīng)模擬方法驗證

為了驗證文中發(fā)展的地面效應(yīng)模擬方法的準(zhǔn)確性，對某地效翼在移動地面邊界條件下，不同離地高度的、地面效應(yīng)特性進行了分析，計算條件為：速度為30.8米/秒，迎角為0度，地面距離后緣的高度h分別取為：22.5毫米、60毫米及150毫米，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際實驗值[14]對比如圖3所示：

從圖3中可以看出，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，表明文中提出的地面效應(yīng)模擬方法是可靠的。

3.2 ? ?轎車地面效應(yīng)計算網(wǎng)格

采用某轎車1：5簡化模型作為算例，計算狀態(tài)：來流速度 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，來流密度 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，參考面積為 ? ? 轎車縱向投影面積。由于轎車為對稱外形，為了減少計算工作量，采用半模進行計算，整體網(wǎng)格單元數(shù)為49萬，采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，分塊網(wǎng)格均采用H-H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得在滑移邊界附近網(wǎng)格塊具有相近的幾何網(wǎng)格單元，從而保證了滑移面良好的數(shù)值傳遞精度。轎車地面效應(yīng)整體計算域網(wǎng)格、地面附面層網(wǎng)格示意圖如圖4所示，圖5為轎車表面網(wǎng)格圖。

3.3 ? ?數(shù)值模擬結(jié)果及分析

移動地面和固定地面邊界條件下，轎車縱向截面的壓力分布對比如圖6所示，可以看出由于轎車前部下表面為外凸結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致流速加快，下表面的壓力迅速減小，并在轎車底部前緣處達到最低值，隨后由于地面和轎車底部對氣流的流動起到一定的阻滯作用，下表面壓力有了一定的回升，最后氣流達到轎車尾部外凸結(jié)構(gòu)，由于流速減小，壓力迅速增大。

從圖6中還可以看出，固定地面邊界條件時，轎車前部的地面邊界層導(dǎo)致進入轎車底部的氣流量小于移動地面的情況，雖然轎車底部的固定邊界層使得進入底部的流速增大，但總體效果導(dǎo)致轎車固定地面的下表面壓力大于移動地面下表面壓力。

圖7和圖8為轎車周圍流場壓力系數(shù)的分布圖。從圖上可以看出，由于固定地面附面層的存在，使得轎車下部流動受到限制，導(dǎo)致轎車頭部的流場存在非線性特征。另外從圖上可以看出，兩種地面邊界條件對轎車上部的流場結(jié)構(gòu)基本沒有影響，只是對轎車底部的流場結(jié)構(gòu)影響較大。

圖9是根據(jù)實際情況選取了不同離地高度下轎車縱向截面的壓力系數(shù)分布對比圖，可以看出隨著離地高度的增大，轎車尾部下表面的壓力系數(shù)逐漸減小，轎車頭部下表面的壓力系數(shù)逐漸增大。當(dāng)離地高度從0.004米增大到0.04米時，轎車中部下表面的壓力系數(shù)逐漸減小，而當(dāng)離地高度大于0.04米時，轎車中部下表面的壓力系數(shù)逐漸增大，其網(wǎng)格最小長度都為0.05毫米。

不同地面邊界條件下升力系數(shù)隨離地高度的變化曲線如圖10所示?？梢钥闯龅孛嫘?yīng)對轎車升力系數(shù)的影響較為復(fù)雜，轎車升力系數(shù)隨離地高度非單調(diào)變化，當(dāng)轎車離地高度h=0.05米時候，升力系數(shù)達到最低點，該離地高度有利于汽車的高速穩(wěn)定性。由于固定地面附面層厚度的影響，導(dǎo)致固定地面下轎車的升力系數(shù)大于移動地面下轎車的升力系數(shù)值。

圖11為轎車阻力系數(shù)隨離地高度的變化曲線，可以看出在本文的離地高度計算范圍內(nèi)，阻力系數(shù)隨著離地高度的增大而減小，這與參考文獻[15]的計算結(jié)果不一致，可能是隨著離地高度的增大，轎車尾部下表面壓力系數(shù)減小以及轎車外形不同引起的。移動地面邊界下的阻力系數(shù)小于固定地面，有可能是地面和轎車一起向前運動，地面粘性效應(yīng)帶動地面附近氣流一起向前運動，導(dǎo)致氣動阻力的減小。

4 ? ?結(jié)論

考慮地面與轎車之間的相對運動，采用基于虛擬網(wǎng)格的非重合滑移網(wǎng)格技術(shù)和非定常N-S方程，對某轎車模型地面效應(yīng)進行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

（1）不同離地高度下地效翼地面效應(yīng)模擬結(jié)果與實驗值吻合良好，表明文中提出的基于虛擬網(wǎng)格的非重合滑移網(wǎng)格可以準(zhǔn)確處理地面與轎車之間的相對運動，地面效應(yīng)模擬方法可靠性較高。

（2）固定地面邊界條件下由于地面附面層厚度的影響，導(dǎo)致轎車的升力計算結(jié)果比移動地面邊界條件多33.3%，計算誤差較大。

（3）隨著離地高度的減小，地面效應(yīng)使得轎車下表面尾部的壓力系數(shù)增大，可能在轎車運動方向產(chǎn)生一個附加力，導(dǎo)致轎車阻力系數(shù)的增大。

（4）地面效應(yīng)對轎車升力系數(shù)的影響較為復(fù)雜，在合適的離地高度下，可使轎車升力系數(shù)達到極小值，該離地高度有利用提高轎車高速運行的穩(wěn)定性和安全性。

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