開窗對汽車氣動力和FE影響的模擬研究

牛潤萍,賈小婷

(北京建筑大學環(huán)境與能源應(yīng)用工程學院,北京 100044)

1 引言

到2020年,我國汽車年產(chǎn)量超2500萬輛,連續(xù)11年蟬聯(lián)全球第一;公路總里程501.25萬公里,其中高速公路里程達到了14.96萬公里[1]?？梢钥闯?我國汽車產(chǎn)業(yè)和公路建設(shè)均處于迅速發(fā)展的時期。隨著車速不斷提高,車輛在行駛時的空氣動力也越來越顯著,其中氣動升力和氣動阻力是評價汽車空氣動力學性能的主要指標,不僅直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性和動力性,同時也間接地影響燃油經(jīng)濟性[2]。

人們在開車出行時,經(jīng)常打開車窗通風,這樣不僅能減少空調(diào)能耗,還能使駕駛員保持清醒,但是汽車行駛時所受到的氣動力與汽車速度的平方成正比[3,4],而輪胎與地面的附著力隨之下降,速度越高就會遇到“發(fā)飄”這種氣動不穩(wěn)定現(xiàn)象,同時也會使百里油耗發(fā)生變化。最初關(guān)于汽車的空氣動力學研究主要集中在氣動阻力問題,直到20世紀40年代初,隨著賽車事業(yè)的發(fā)展,氣動升力及俯仰力矩、側(cè)力矩以汽車性能的影響才逐漸受到了學者們的關(guān)注,其中對汽車開窗的研究則側(cè)重于散熱[5,6]和氣動噪聲[7,8]方面。汽車開窗行駛氣動力會發(fā)生怎樣的變化,對行駛有多大影響,目前國內(nèi)相關(guān)的文獻寥寥無幾。

為了確認開窗行駛對汽車氣動力與燃油經(jīng)濟性的影響,為汽車開窗行駛提供建議,本文使用MIRA階梯背模型在ANSYS軟件中進行數(shù)值模擬。

2 仿真方案

2.1 物理模型

以MIRA階梯背模型國際標準尺寸為研究對象,使用ANSYS軟件的建模功能按照1:1的比例建立幾何模型,基本參數(shù)為4167mm×1626mm×1422mm[9]。由于本文主要研究汽車不同開窗方案對氣動升力和阻力的影響,為了在后續(xù)的網(wǎng)格生成和計算時節(jié)約時間和資源,在建立模型時對復雜的汽車室內(nèi)幾何形狀進行了一定程度的簡化。模型內(nèi)部忽略了檔位操縱桿、儀表盤等,其次將座椅的曲面弧度減小,由于乘車人數(shù)不確定,沒有建立人體模型。根據(jù)需要對5個車窗是否開閉進行了20中情況的建模如表1所示,簡化后的汽車模型如圖1所示,車窗命名如圖2所示。

圖1 MIRA階梯背模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 車窗命名

表1 開窗方案

汽車在行駛過程中,汽車的氣動力與外部流場有很大關(guān)系,需要在汽車模型的外界建立一個合適的計算域。在理想條件下,計算區(qū)域越大得到的結(jié)果越接近真實值[10],但是受計算條件限制很難將計算區(qū)域的邊界無限遠,所以確定計算區(qū)域時需保證來流穩(wěn)定且對汽車車身周圍的流場影響較小。前人模擬中常采用長方體計算域[11,12]且得到了理想的結(jié)果,故本文也采用這種計算域進行模擬:汽車模型前部留3倍車長,后部留7倍車長,上部留4倍車高,左右兩側(cè)留3倍車寬,如圖3所示。

圖3 計算域模型

2.2 數(shù)學模型

本文模擬車速為30m/s,遠低于聲速,屬于低速空氣動力學范疇,因而汽車周圍流場可以看作是三維不可壓縮、粘性、等溫流場[13]。汽車外形復雜容易引起分離故按湍流處理,所以需引入湍流模型。本文計算采用高雷諾數(shù)的Relizable k-?模型,利用二階迎風差分格式離散控制方程,應(yīng)用SIMPLE算法進行迭代計算。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于汽車模型復雜,外流場仿真計算域大,而且對大部分外流場的精度要求不高,根據(jù)汽車外部流場結(jié)構(gòu)和求解要求,充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、半結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)勢,采用混合方案[14]。在模型附近應(yīng)用三棱柱網(wǎng)格,最外側(cè)應(yīng)用四面體網(wǎng)格,最外側(cè)應(yīng)用六面體網(wǎng)格[15],如圖4所示。車身附近的網(wǎng)格尺寸分別為0.5mm和1mm。這種網(wǎng)格劃分畫法收斂較快,節(jié)約計算時間,且得到的MIRA階梯背模型的氣動阻力系數(shù)為0.3380[16],與斯圖加特大學IVK風洞試驗得到的結(jié)果0.3204[17]誤差為2.62%,故采用這種混合方案可以使更準確地得到模擬值。為了避免網(wǎng)格不同對氣動力造成影響,20個計算模型的計算區(qū)域具有相同的網(wǎng)格尺寸,所有模型的網(wǎng)格數(shù)量均在190萬左右。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

在有限的區(qū)域內(nèi)進行數(shù)值模擬就必須指定邊界條件,合理的邊界條件可以使模擬結(jié)果更接近真實情況。邊界條件如表2所示。

表2 計算域邊界條件設(shè)定

2.5 試驗驗證

本文采用MIRA階梯背模型,該模型在風洞試驗中得到的氣動力如表3所示,其中氣動升力系數(shù)與湖南大學HD-2風洞試驗值的誤差為19.1%,氣動阻力系數(shù)與湖南大學HD-2風洞試驗值的誤差為5.4%,與斯圖加特大學IVK風洞試驗值的誤差為4.8%。從方案1可知,本次模擬對氣動力的預(yù)測可信度較高。

表3 MIRA模型風洞測量值

表4 20種開窗方案的氣動力系數(shù)

3 開窗方案與氣動力的關(guān)系及其流場特性

3.1 開窗方案與氣動力的關(guān)系

利用數(shù)值仿真軟件FLUENT,經(jīng)過3000次迭代計算,得到汽車在30m/s速度下20種開窗方案的氣動升力系數(shù)CL與氣動阻力系數(shù)CD,如表3所示,其中開窗程度為開窗面積/窗戶總面積。

從表3可知,在開窗行駛的情況下,氣動力發(fā)生了變化。這是由于開窗行駛時車室內(nèi)產(chǎn)生了一個空腔,氣流經(jīng)過車身與空腔的路徑發(fā)生了改變,從而影響了氣動力。

圖5是氣動力系數(shù)隨著開窗程度提高的變化圖。由該圖的變化趨勢可知,隨著開窗程度的提高,氣動升力系數(shù)逐漸減小,但沒有明顯的隨著開窗程度變化的趨勢,一部分開窗方案的氣動升力系數(shù)隨之增加,另一部分隨之減小;氣動阻力系數(shù)逐漸增大,但隨開窗程度變化的的趨勢不明顯,20種開窗方案的氣動阻力系數(shù)圍繞著0.3469波動。

圖5 氣動力系數(shù)隨開窗程度的變化趨勢

從上述研究分析得到,開窗程度對氣動力系數(shù)的影響不大,開窗方案可能對氣動力系數(shù)產(chǎn)生影響,接下來對不開窗、開不同位置車窗、日常常用開窗方案進行對比,作進一步討論。

圖6是汽車不開窗與只開一個車窗的氣動力系數(shù)對比圖。由圖可知方案2、3、4的氣動升力系數(shù)和氣動阻力系數(shù)分別增長了255.5%、-59.16%、20.11%和8.76%、14.54%、-0.31%。初步分析開前窗使氣動升力和阻力增加;開后窗使氣動升力減小而氣動阻力增加;開天窗使氣動升力增加且氣動阻力變化不大。

圖6 方案1-4氣動力系數(shù)

圖7是汽車行駛過程中常用的幾種開窗方案的氣動力系數(shù),由圖可知,方案9的氣動升力系數(shù)0.0735和氣動阻力系數(shù)0.2986與方案1最為接近;而方案7的氣動升力系數(shù)0.1842和氣動阻力系數(shù)0.3973與方案1差異最大?？芍婚_后側(cè)兩窗戶對行駛時的氣動影響最小,開單側(cè)兩個窗戶對行駛時的汽車氣動形象最大。

圖7 常用開窗方案的氣動力系數(shù)

由上述可知不同的開窗方案對汽車氣動力系數(shù)的影響程度不同。與不開窗相比,一部分開窗方案的氣動力系數(shù)變化較大,一部分開窗方案的氣動力系數(shù)變化不大。

3.2 開窗行駛時的流場特性

開窗行駛時的氣動力系數(shù)變化范圍很大,為了研究其原因,現(xiàn)對開窗行駛時車室內(nèi)外的流場情況進行分析。由初步推斷可知開窗程度對氣動力系數(shù)的影響不大,現(xiàn)對典型方案2、6、7、17作分析。

圖8為截面位置示意圖,如圖在車窗附近建立水平平面Y=1.3m;在汽車中央建立X=3.8m和Z=6.5m兩個截面。分別提取幾個典型方案Y=1.3m處的壓力和速度分布圖以及X=3.8m和Z=6.5m處的速度矢量分布圖進行討論。

圖8 截面位置示意圖

圖9是典型開窗方案Y=1.3m處的壓力分布圖,可以看到在開窗行駛時車室外是高壓區(qū),車室內(nèi)是低壓區(qū),車室外的壓力遠遠大于車室內(nèi),導致大量氣流通過車窗進入車室內(nèi)部,引起車室內(nèi)流場變化,這也是開窗引起氣動力變化的主要原因。

圖9 典型開窗方案Y=1.3m處的壓力分布圖

圖10是典型開窗方案Y=1.3m處的速度分布圖,通過對比發(fā)現(xiàn)當只開前窗時,空氣在經(jīng)過A柱后由于慣性原因并沒有直接進入車室,而是在接近B柱時才流入車室;當打開后窗時,空氣在流經(jīng)B柱后就有明顯向車室方向流動的趨勢,而且從后窗進入車室的氣流量比前窗多,對汽車室后部的沖擊更大,這也導致當開后窗時氣動阻力明顯增加的根本原因。

圖10 典型開窗方案Y=1.3m處的速度分布圖

圖11 典型開窗方案Z=6.5m處的速度矢量圖

圖12 典型開窗方案X=3.8m處的速度矢量圖

通過上述圖片發(fā)現(xiàn),由于開窗方案不同,氣流進入車室的的流動路徑各異,但是都在車室內(nèi)循環(huán)流動,形成回流區(qū)域,產(chǎn)生了位置、大小各異的渦旋,這些渦旋與汽車車身相互作用,是導致不同開窗方案的氣動力系數(shù)差異的根本原因。

4 開窗對汽車燃油經(jīng)濟性的影響

氣動升力系數(shù)和氣動阻力系數(shù)作為評價汽車整體性能的主要指標,對汽車的燃油經(jīng)濟性存在重要影響。當汽車在公路上開窗行駛時,由于開窗造成了汽車周圍的氣流組織發(fā)生變化,影響了汽車的氣動升力和阻力。氣動升力發(fā)生改變時,有時司機會感覺到“發(fā)飄”,要控制汽車在前進方向上行駛存在一定困難,這是操縱穩(wěn)定性受到了影響;而開窗時發(fā)現(xiàn)汽車的油耗有所增加,這是由于開窗導致阻力增加引起的。

氣動升力和氣動阻力的計算公示為

(1)

(2)

百里內(nèi)發(fā)動機消耗油的升數(shù)[19]為

(3)

式中CL為氣動升力系數(shù);CD為氣動阻力系數(shù);G為汽車受到的重力,取12753N;ρ為空氣密度,取1.225kg/m3;A為車輛正投影面積,采用的MIRA的正投影面積為1.856m2;v為汽車行駛速度,取本次模擬速度為30m/s;ηT為汽車傳動系效率,取0.9;ge為發(fā)動機相應(yīng)工況的有效油耗率;γ為燃油重度;f為輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)。

當氣動升力系數(shù)為負時,對汽車整體性能各有利弊,一方面負升力如果增大會導致誘導阻力增大,從而降低了汽車的燃油經(jīng)濟性,另一方面負升力增加了輪胎對地面的附著力,提高了操縱穩(wěn)定性。但是MIRA階梯背模型屬于一般家用汽車,汽車本身產(chǎn)生的重力完全可以滿足汽車行駛的需要。方案10和方案14的氣動升力系數(shù)皆為負,且方案10的氣動升力系數(shù)的絕對值大0.0564,由式(5)計算得到方案10百里所消耗油量比方案14增長了6.74%。因此可以考慮選擇負升力較小的開窗方案來避免不必要的燃油損失。

當氣動升力系數(shù)為正時,由于正升力的減小導致輪胎與地面間的摩擦力增大,這有利于提高汽車的操縱穩(wěn)定性。在幾個得到正升力的方案中,與不開窗的油耗相比,方案2和方案6的氣動升力系數(shù)分別增長了0.1430和0.0529,百里油耗分別增長了7.61%和14.81%。減小正升力導致的誘導阻力的減小量遠大于其引起的滾動阻力,因此減小正升力仍然可以提高汽車的燃油經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

當車輛在市區(qū)行駛,對車室內(nèi)的舒適性要求不高的情況下,可以打開車窗通風行駛,這樣在炎熱的夏天不僅可以通風,還可以減少空調(diào)的功率消耗。通過對行駛時汽車開窗方案進行空氣動力學數(shù)值模擬,得到20種開窗方案的氣動力系數(shù)。由于開窗導致在車室內(nèi)形成了位置、大小、形狀各異的渦旋,使氣動力發(fā)生了變化,進一步導致了汽車的燃油經(jīng)濟性受到了影響。

通過分析得到以下結(jié)論:

1)氣動力隨開窗程度的變化趨勢不明顯,故開窗程度對氣動力的影響較小;

2)開后窗會使氣動升力系數(shù)減小而氣動阻力系數(shù)增加,而開天窗會使氣動升力系數(shù)增加而氣動阻力系數(shù)變化不大;

1)開窗會在車室內(nèi)形成大小、位置各異的渦旋,是影響氣動力的根本原因;

2)方案2、方案5和方案16的油耗增長率都不超過5%,因此不論哪種開窗方式,得到的氣動升力系數(shù)越接近“0”時,汽車的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟性都能得到保障。