階背式轎車(chē)模型尾流場(chǎng)仿真研究*

吳德久，胡興軍，楊 博

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

前言

汽車(chē)流場(chǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真在新車(chē)的研發(fā)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究中氣動(dòng)阻力的仿真誤差已經(jīng)減小到2%［1］。CFD軟件中常用表面積分的方法獲得較為精確的氣動(dòng)力仿真值，然而這種方法可能會(huì)使一些面網(wǎng)格上的壓力仿真值誤差相抵消，因此不能僅以氣動(dòng)阻力值來(lái)衡量仿真精度。文獻(xiàn)［2］中研究發(fā)現(xiàn)，大約50%的氣動(dòng)阻力來(lái)自階背式轎車(chē)的尾部。因此，表面壓力和局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的高精度仿真是提高整車(chē)外流場(chǎng)仿真精度的關(guān)鍵。

比較文獻(xiàn)［3］～文獻(xiàn)［5］對(duì)Ford參考模型的研究，發(fā)現(xiàn)在表面壓力系數(shù)和模型尾部表面流動(dòng)顯示方面，文獻(xiàn)［3］與文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］的研究結(jié)果有一些差異。因此，更進(jìn)一步地研究參考模型的尾流場(chǎng)是很必要的。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，本文中利用Ansys Fluent CFD軟件對(duì)Ford C1階背式轎車(chē)模型尾流場(chǎng)進(jìn)行不同工況下仿真分析。

1 計(jì)算設(shè)置

1.1 Ford C1模型和計(jì)算域

文獻(xiàn)［3］中選用的是16%比例Ford C1模型，在美國(guó)國(guó)家航空航天局蘭利基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)研究風(fēng)洞(BART)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］中使用的是50%比例Ford C1模型，在洛克希德低速風(fēng)洞(Lockheed)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。由于BART實(shí)驗(yàn)部分提供了比較完整的計(jì)算域尺寸和流體參數(shù)，所以本文中參照BART實(shí)驗(yàn)建立仿真的計(jì)算域。根據(jù)BART實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)測(cè)量得到的自由流速度為U∞=51.7m/s，湍流強(qiáng)度是0.09%。在BART實(shí)驗(yàn)部分有一個(gè)凸起的地板，地板的高度為60mm、寬度為914mm，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段的高度為711mm、寬度為1 016mm、長(zhǎng)度為7 136mm，如圖1所示。為了研究凸起的地板對(duì)實(shí)驗(yàn)段的影響，另一個(gè)計(jì)算域沒(méi)有凸起的地板。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

整車(chē)和4個(gè)翼型支撐的三角形面網(wǎng)格數(shù)量大約為17.4萬(wàn)，網(wǎng)格大小為3～5mm。通過(guò)改變模型車(chē)表面邊界層的首層高度，在CFD軟件求解收斂后可以獲得不同的無(wú)量綱數(shù)y+，在本文中研究不同的y+值對(duì)近壁面流場(chǎng)的影響。壁面的y+值范圍分為:y+＜5的黏性底層，30＜y+＜150的對(duì)數(shù)層，5＜y+＜30的過(guò)渡層。為實(shí)現(xiàn)上面不同的y+范圍，設(shè)置3種不同的邊界層首層高度和相應(yīng)的增長(zhǎng)比，網(wǎng)格生成參數(shù)如表1所示，網(wǎng)格1截面如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)大約1 000萬(wàn)。

表1 近壁面網(wǎng)格生成參數(shù)

1.3 湍流模型

在Ansys Fluent中有兩種近壁面處理方法，分別是壁面函數(shù)法和近壁面模型法。本文中網(wǎng)格2和網(wǎng)格3選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法;網(wǎng)格1選用改進(jìn)的壁面函數(shù)法，它的y+值在黏性底層范圍內(nèi)。主要應(yīng)用kω SST和雷諾應(yīng)力湍流模型來(lái)模擬流場(chǎng)，在k-ω SST模型中應(yīng)用低雷諾數(shù)校正。由于一個(gè)算例使用雷諾應(yīng)力湍流模型不穩(wěn)定，所以使用Realizable k-epsilon湍流模型來(lái)代替，計(jì)算域、網(wǎng)格特征、近壁面處理方式和湍流模型的設(shè)置如表2所示。

表2 計(jì)算域、網(wǎng)格特征、近壁面處理方式和湍流模型的設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 表面壓力場(chǎng)和流動(dòng)顯示

車(chē)頂中心線(xiàn)位置的壓力系數(shù)Cp仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比如圖3所示，在橫坐標(biāo)中Xm/L=0表示模型車(chē)的中點(diǎn)，Xm表示水平方向距離中點(diǎn)的長(zhǎng)度，L表示模型長(zhǎng)度，正負(fù)號(hào)分別表示模型的后部和前部;BART的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算域1的仿真結(jié)果有較好的一致性，計(jì)算域2的仿真結(jié)果與Lockheed的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較好的一致性。BART和Lockheed實(shí)驗(yàn)的Cp結(jié)果的差異很可能是由于BART實(shí)驗(yàn)中使用凸起的地板。在所有算例中，選用k-ω SST湍流模型的網(wǎng)格1(y+＜5)的Cp仿真精度最高，然而網(wǎng)格3(30＜y+＜150)的轎車(chē)后備箱表面上Cp的誤差較大。

圖4為CFD仿真結(jié)果與表面流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)的對(duì)比。由圖可見(jiàn):在BART實(shí)驗(yàn)［3］的流動(dòng)顯示圖中后備箱蓋的中心線(xiàn)上出現(xiàn)鞍點(diǎn)(圖4(a))，然而在Lockheed實(shí)驗(yàn)［4］中有兩個(gè)額外的鞍點(diǎn)出現(xiàn)在后備箱蓋中心線(xiàn)兩側(cè)(圖4(c));CFD仿真結(jié)果也存在位置不穩(wěn)定的鞍點(diǎn)，但是在模擬BART實(shí)驗(yàn)的計(jì)算域1中出現(xiàn)3個(gè)鞍點(diǎn)和兩個(gè)點(diǎn)源(圖4(b))，然而在模擬沒(méi)有凸起地板的計(jì)算域2中只出現(xiàn)一個(gè)鞍點(diǎn)(圖4(d))。

2.2 邊界層流動(dòng)狀況

CFD仿真和BART實(shí)驗(yàn)車(chē)頂邊界層速度分布如圖5所示，該速度分布圖(U/Ue，Zroof/δ0.995)可以反映湍流邊界層的發(fā)展?fàn)顩r，Zroof表示邊界層內(nèi)某點(diǎn)距離車(chē)頂?shù)拇怪备叨龋?.995表示該點(diǎn)邊界層的垂直厚度，其中U表示邊界層內(nèi)該點(diǎn)水平速度分量，Ue表示該點(diǎn)邊界層外邊界的水平速度分量;Xm/L=0.034位置的仿真值和BART實(shí)驗(yàn)值一致性較好，Xm/L=0.154位置二者略有差距。總體上CFD的仿真結(jié)果較為真實(shí)地體現(xiàn)了邊界層的發(fā)展?fàn)顩r。

車(chē)頂后沿流場(chǎng)的分離區(qū)速度分布如圖6所示，Zunderbody表示車(chē)頂后沿某點(diǎn)到車(chē)底的垂直高度，H=194mm表示車(chē)頂?shù)杰?chē)底的垂直高度，Xm/L從0.284到0.294區(qū)間，U/U∞從正值變到負(fù)值，這表明Xm/L在0.284～0.294之間邊界層出現(xiàn)逆流，進(jìn)而產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象，分離區(qū)起始位置大致在Xm/L=0.288附近，這與BART實(shí)驗(yàn)的分離區(qū)起始位置［3］相同。

2.3 尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)車(chē)頂中心線(xiàn)的氣流在車(chē)頂后沿分離并在汽車(chē)尾部下降但沒(méi)有附著在后備箱蓋上，且剪切層的運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成曲線(xiàn)，如圖7所示。CFD的仿真結(jié)果與BART實(shí)驗(yàn)結(jié)果［3］類(lèi)似，并沒(méi)有垂直于中心面的橫向渦。中心面兩側(cè)的氣流和經(jīng)過(guò)A立柱氣流在行李箱蓋上附著形成兩個(gè)點(diǎn)源，如圖4(b)，以右側(cè)的點(diǎn)源為例，氣流出現(xiàn)回流使橫向渦的軸線(xiàn)不再垂直于中心面，左右兩側(cè)橫向渦的軸線(xiàn)形成一個(gè)“V”字形，如圖8所示。可能由于橫向渦的不穩(wěn)定性，計(jì)算域1中經(jīng)過(guò)A立柱的部分氣流匯集到橫向渦，而計(jì)算域2經(jīng)過(guò)A立柱的氣流沒(méi)有匯集到橫向渦。仿真中行李箱蓋上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同于典型的階背式轎車(chē)的尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)［6］，如圖9所示。

2.4 氣動(dòng)阻力系數(shù)分析

在CFD仿真中兩種計(jì)算域的氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd如表3所示，計(jì)算域1的Cd值較計(jì)算域2高，主要因?yàn)橛?jì)算域1中有凸起的地板;Lockheed實(shí)驗(yàn)的Cd=0.161，計(jì)算域2網(wǎng)格1的k-ω SST湍流模型的Cd高于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)Cd，RKE(Enhanced)湍流模型的Cd更接近實(shí)驗(yàn)值。

表3 氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

選用 k-ω SST、Realizable k-ε 和 RSM 湍流模型模擬16%比例的Ford C1階背式轎車(chē)模型的尾流場(chǎng)，得出如下結(jié)論。

(1)網(wǎng)格1(y+＜5)黏性底層k-ω SST湍流模型的近壁面網(wǎng)格的壓力系數(shù)與兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)有較好的一致性;網(wǎng)格3(30＜y+＜150)對(duì)數(shù)層k-ω SST湍流模型的壓力系數(shù)誤差比較大。

(2)CFD表面流動(dòng)顯示結(jié)果與兩個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)顯示結(jié)果有些差異，在計(jì)算域1的仿真結(jié)果中有3個(gè)鞍點(diǎn)和兩個(gè)點(diǎn)源，但是在BART風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只有一個(gè)鞍點(diǎn);恰恰相反，在計(jì)算域2的仿真結(jié)果中顯示一個(gè)鞍點(diǎn)，而在Lockheed的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中有3個(gè)鞍點(diǎn)。

(3)在后備箱蓋上有兩個(gè)傾斜對(duì)稱(chēng)的渦旋，由于這兩個(gè)關(guān)于中心面對(duì)稱(chēng)的強(qiáng)逆流區(qū)，使得從車(chē)頂后沿分離的氣流不能在后備箱蓋上附著而流到車(chē)的尾部。

(4)帶凸起底板的計(jì)算域1的氣動(dòng)阻力系數(shù)較計(jì)算域2的高，計(jì)算域2網(wǎng)格1 RKE(Enhanced)湍流模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)更接近實(shí)驗(yàn)值。

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