某SUV外部后視鏡尾流區(qū)域氣動(dòng)特性的研究*

陳 鑫,汪 碩,張 武，吳元強(qiáng)，寧厚于，胡翠松，楊昌海

(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 130025)

2016112

某SUV外部后視鏡尾流區(qū)域氣動(dòng)特性的研究*

陳 鑫,汪 碩,張 武，吳元強(qiáng)，寧厚于，胡翠松，楊昌海

(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 130025)

車(chē)外后視鏡是汽車(chē)上的突出鈍頭體，對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲有較大影響。采用風(fēng)洞試驗(yàn)與SSTk-ω湍流模型仿真相結(jié)合的方法，探討了后視鏡尾流區(qū)域氣動(dòng)特性。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，行駛中車(chē)外后視鏡尾流區(qū)域存在逆壓區(qū)域并產(chǎn)生回流。仿真結(jié)果表明，后視鏡尾流區(qū)域存在低壓區(qū)和近似半橢球的低速層，低速層中存在沿兩條渦流中心軌跡線流動(dòng)的反向旋轉(zhuǎn)渦流，并伴有明顯的湍流。低壓區(qū)使后視鏡產(chǎn)生局部壓差阻力，低速層中的湍流造成前側(cè)窗上的脈動(dòng)壓力，它們對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的影響較大。

車(chē)外后視鏡；尾流；氣動(dòng)特性；風(fēng)洞試驗(yàn)；仿真；低壓區(qū)；低速層

前言

汽車(chē)噪聲影響人們的工作學(xué)習(xí)和休息，危害乘員和駕駛員的身體健康。降低氣動(dòng)阻力可提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車(chē)外形具有良好的流線型，可使汽車(chē)表面氣流分離延緩，流動(dòng)更加平順，使車(chē)身邊界層氣流分離點(diǎn)所圍面積減小。后視鏡作為突出于汽車(chē)表面的鈍頭體，在汽車(chē)行駛時(shí)會(huì)使邊界層氣流分離而產(chǎn)生類(lèi)似卡門(mén)渦的湍流結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在尾部順氣流方向移動(dòng)，并拖出很長(zhǎng)的距離，其結(jié)構(gòu)中具有規(guī)則的渦系[1-4]。引起后視鏡氣動(dòng)噪聲的主要原因就是湍流結(jié)構(gòu)中氣泡和渦流及其與車(chē)窗玻璃和車(chē)身覆蓋件等的相互作用。整車(chē)外后視鏡尾流氣動(dòng)特性的研究有著重要意義。對(duì)于后視鏡附近流場(chǎng)產(chǎn)生氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的機(jī)理及影響因素的研究主要集中在兩個(gè)方面：第一，對(duì)平板上后視鏡氣動(dòng)特性進(jìn)行研究[5]；第二，對(duì)整車(chē)后視鏡氣動(dòng)特性進(jìn)行研究[1,6]。對(duì)后視鏡的研究主要側(cè)重在對(duì)穩(wěn)態(tài)平面流場(chǎng)的研究，而對(duì)三維空間的流場(chǎng)特性研究不夠充分。本文中通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與SSTk-ω湍流模型仿真分析相結(jié)合的方法，探討了后視鏡尾流區(qū)域的氣動(dòng)特性，并分析了其對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力和噪聲的影響機(jī)理，對(duì)汽車(chē)造型和車(chē)外后視鏡的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的工程指導(dǎo)意義。

1 整車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次風(fēng)洞試驗(yàn)在吉林大學(xué)汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是低速、回流式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)段和實(shí)車(chē)模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)段和實(shí)車(chē)模型

1.1 壓力系數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖2為壓力系數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖。采用切割的方法，制作一個(gè)形狀與前側(cè)窗相同，且表面曲率與其保持一致的塑料板，將其放置于前側(cè)窗的位置，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的壓力系數(shù)與車(chē)輛正常行駛時(shí)一致。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

壓力系數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。整車(chē)模型的11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)都是負(fù)值，前車(chē)窗都處于負(fù)壓區(qū)。這是因?yàn)榍败?chē)窗附近區(qū)域壓力小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，該區(qū)域相對(duì)于較遠(yuǎn)的位置存在一定的壓力差，使該位置對(duì)氣流有一定的引力，產(chǎn)生湍流結(jié)構(gòu)。此外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2和3壓力系數(shù)明顯比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)小，氣流流動(dòng)到該位置時(shí)需克服壓力梯度并產(chǎn)生回流。所以，后視鏡后部前側(cè)窗區(qū)域會(huì)形成劇烈的湍流結(jié)構(gòu)，致使氣動(dòng)噪聲和氣動(dòng)阻力升高。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)值

1.2 風(fēng)洞油流試驗(yàn)

進(jìn)行風(fēng)洞油流試驗(yàn)時(shí)將前側(cè)窗附近區(qū)域貼上膠紙，以避免油流侵入車(chē)內(nèi)，并使試驗(yàn)結(jié)果更易于觀察。在膠紙上均勻涂上摻入一定指示劑和鹽酸的黏稠性油，便于顯示整車(chē)模型表面的氣流流動(dòng)情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞油流試驗(yàn)結(jié)果

后視鏡尾流區(qū)域出現(xiàn)了后視鏡典型尾流從而對(duì)前側(cè)窗產(chǎn)生影響。在該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的湍流結(jié)構(gòu)，有回流產(chǎn)生，這與壓力系數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中得到的結(jié)論一致。在其他區(qū)域沒(méi)有明顯的回流出現(xiàn)。所以，湍流結(jié)構(gòu)附近的區(qū)域的氣流較復(fù)雜，該區(qū)域的氣動(dòng)特性是本次研究的重點(diǎn)。

2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 建立計(jì)算模型

以風(fēng)洞試驗(yàn)中實(shí)車(chē)模型為原型，應(yīng)用逆向工程[7]建立整車(chē)幾何模型。通過(guò)整車(chē)幾何模型創(chuàng)建三維網(wǎng)格模型。首先確定計(jì)算域，本文中計(jì)算域的長(zhǎng)度尺寸設(shè)置為50 000mm，確保流出計(jì)算域的氣流不會(huì)影響到近體尾流；寬度尺寸和高度尺寸分別設(shè)置為20 000mm和5 000mm，以滿足試驗(yàn)風(fēng)洞阻塞比的要求；為了保證流動(dòng)空氣的湍流特征得到充分的發(fā)展，車(chē)前端與氣流入口距離為20 000mm。該計(jì)算域確保氣流完全發(fā)展起來(lái)，保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖5為整車(chē)計(jì)算域模型。

圖5 整車(chē)和計(jì)算域模型

將模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行殼網(wǎng)格劃分。后視鏡上的殼網(wǎng)格尺寸為2mm，與后視鏡相連的前側(cè)窗部位尺寸為2mm，采用漸變式網(wǎng)格，均勻過(guò)渡到側(cè)窗邊緣的5mm尺寸的網(wǎng)格，保證網(wǎng)格的質(zhì)量。最終網(wǎng)格漸變至整車(chē)的最大網(wǎng)格20mm。計(jì)算域最大網(wǎng)格為150mm，同樣采取漸變式網(wǎng)格均勻過(guò)渡的方式劃分計(jì)算域網(wǎng)格。將Hypermesh中創(chuàng)建的殼網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入T-grid中，以創(chuàng)建所需要的四面體網(wǎng)格[8]。車(chē)身表面上的邊界層內(nèi)形成劇烈的湍流，所以需要在車(chē)身外表面生成邊界層。本文中選擇SSTk-ω模型進(jìn)行仿真，要求第一層邊界層要小于實(shí)際邊界層中黏性底層的厚度，取為0.02mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇邊界層數(shù)為14層，邊界層增長(zhǎng)率為0.12，邊界層總厚度為11.2mm。

以整車(chē)為基礎(chǔ)創(chuàng)建過(guò)邊界層后，以邊界層最外層和計(jì)算域?yàn)榛A(chǔ)，創(chuàng)建體網(wǎng)格。體網(wǎng)格生成規(guī)律與面網(wǎng)格相似，采用漸變式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為1.2。三維網(wǎng)格計(jì)算模型的體網(wǎng)格分布如圖6所示。

圖6 三維網(wǎng)格計(jì)算模型

2.2 整車(chē)數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

本文中應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，流場(chǎng)中氣流為完全發(fā)展的自由流動(dòng)的不可壓縮流體，據(jù)此，采用的邊界條件是壓力出口(pressure-outlet)，因車(chē)身的后部距離計(jì)算域出口較遠(yuǎn)，故可將出口處的空氣視為自由流體，其壓力也應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同或者相近，而且采用壓力出口邊界條件可提高仿真時(shí)的收斂速度。表1為邊界條件設(shè)置。

空間離散格式選擇2階迎風(fēng)格式，計(jì)算方法采用SIMPLE，計(jì)算3 500步直至殘差曲線收斂。通過(guò) 以上的設(shè)置可精確地模擬出真實(shí)的流場(chǎng)變化。

表1 邊界條件設(shè)置

2.3 計(jì)算模型的選擇

在仿真計(jì)算模型中，標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型能更好地模擬壓力梯度下的邊界層問(wèn)題。本文中使用了SSTk-ω方程，它是一種在工程上得到廣泛應(yīng)用的混合模型，在近壁面保留了標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，在遠(yuǎn)離近壁面的位置應(yīng)用k-ε模型[9]。若分別以Φ1，Φ2和Φ3表示k-ω模型、k-ε模型和SSTk-ω湍流模型中的函數(shù)關(guān)系，則SSTk-ω湍流模型可表示為

Φ3=F1Φ1+(1-F1)Φ2

模型中混合函數(shù)F1的作用就是完成模型由近壁面的k-ω模型到遠(yuǎn)離壁面的k-ε模型的過(guò)渡，其具體表達(dá)式和計(jì)算中模型常量取值見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)與仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)對(duì)標(biāo)

圖7為試驗(yàn)與仿真各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)值的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)與仿真的數(shù)值相近且數(shù)值沿x軸變化趨勢(shì)相同，表明仿真方法是正確的。

圖7 試驗(yàn)與仿真壓力系數(shù)對(duì)比圖

3.2 后視鏡區(qū)域氣動(dòng)特性分析

后視鏡主要影響的區(qū)域是后視鏡尾部的三維空間。為研究后視鏡尾部的氣動(dòng)特性，本文中創(chuàng)建了3個(gè)平面，這3個(gè)平面兩兩垂直并分別平行于xy，yz和xz平面，如圖8所示。

圖9 平面上的靜壓力云圖和流線圖

圖9為3個(gè)平面上的壓力云圖和流線圖。由圖可見(jiàn)：后視鏡尾部存在1個(gè)低壓區(qū)域，并且平面1和平面3存在2個(gè)低壓中心，而平面2上存在1個(gè)低壓中心；后視鏡尾部存在1個(gè)低速區(qū)域，且平面1和平面3上產(chǎn)生2個(gè)渦流中心，而平面2上產(chǎn)生1個(gè)渦流中心。低壓中心和渦流中心的位置基本一致，這是因?yàn)榈蛪褐行撵o壓力較小，壓力差產(chǎn)生的力提供了渦流運(yùn)動(dòng)的向心力。所以，在汽車(chē)行駛時(shí)，后視鏡后部出現(xiàn)低壓區(qū)域和低壓中心，導(dǎo)致后視鏡尾部出現(xiàn)劇烈的湍流，引起氣動(dòng)噪聲的升高。同時(shí)，后視鏡后方的靜壓力明顯低于后視鏡罩面靜壓力，這使后視鏡存在壓差阻力，導(dǎo)致氣動(dòng)阻力升高。

圖10 3平面上速度矢量分布圖

平面1、平面2和平面3上的速度矢量圖如圖10所示。由圖可見(jiàn)，平面1和平面3上的2個(gè)渦流是反向旋轉(zhuǎn)[11]。平面1右上方渦流為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左下方渦流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。平面3上方渦流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，下方渦流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。平面2上的渦流是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。渦流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗能量，氣流流過(guò)后視鏡外緣后，氣流與渦流間的剪切力做功補(bǔ)充了渦流消耗的能量，使渦流旋轉(zhuǎn)維持周期性變化。從而渦流外部的流向與流過(guò)后視鏡外緣的氣流流向一致，這就是平面3上存在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的渦流的原因。流過(guò)車(chē)身表面的氣流一部分通過(guò)后視鏡與車(chē)身之間的間隙流過(guò)，且其速度分量存在一個(gè)沿z軸負(fù)方向的分量，所以平面1右上位置的氣流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍矫?上的渦流為逆時(shí)針?lè)较颉Ｆ矫?上兩渦流接觸位置的氣流為右下方渦流提供能量，所以右下方的渦流為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

為確定后視鏡后方渦流存在的區(qū)域建立與xy和xz平行的幾個(gè)平面，如圖11所示。

通過(guò)圖11這些平面上的渦流的尺寸來(lái)確定湍流的尺寸。與xy和xz面平行的各個(gè)面上的流線圖如圖12和圖13所示。

圖11 與xy和xz面平行面示意圖

圖12 與xy面平行的面上的流線圖

圖13 與xz面平行的面上的流線圖

由圖可見(jiàn)，渦流存在的區(qū)域大體在y=0.83m與y=1m和z=0.79m與z=0.925m之間。可以認(rèn)為，在x軸正方向上觀察，流場(chǎng)存在的區(qū)域約為后視鏡輪廓的80%。

通過(guò)以上分析可以看出，后視鏡尾部存在著復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，為研究這部分氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，截取一些與yz面平行的平面，如圖14所示，圖15～圖18是部分平面上的流線圖。

圖14 與yz面平行的平面示意圖

圖15 x=0.9m平面上的流線

圖16 x=1.1m平面上的流線

圖17 x=1.3m平面上的流線

圖18 x=1.5m平面上的流線

由圖15可見(jiàn)：靠近后視鏡后部的區(qū)域的平面上氣流速度較低的區(qū)域構(gòu)成了1個(gè)近似于橢圓形的低速層，低速層上存在2個(gè)渦流中心，平面上的渦流以這2個(gè)渦流中心為中心反向旋轉(zhuǎn)。低速中心隨著氣流前進(jìn)，在x=1.1m平面上匯聚成1個(gè)渦流中心(圖16)，隨著氣流的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以看到在x=1.3m平面上渦流中心又發(fā)散為2個(gè)(圖17)。流過(guò)后視鏡的氣流圍繞低速中心的軌跡螺旋狀前進(jìn)，在x=1.5m平面上可以看出2條渦流中心線相距越來(lái)越遠(yuǎn)(圖18)。

根據(jù)圖15～圖18的流場(chǎng)分析，對(duì)流場(chǎng)分析的總結(jié)如圖19和圖20所示。圖19中的低速層是圖15中的低速圈在三維層面的表示。低速層上的渦流中心形成了2條渦流中心軌跡線，并且匯合成了在x=1.1m平面上的一點(diǎn)。圖20示意了2個(gè)渦流中心軌跡線和圍繞軌跡線螺旋狀前進(jìn)的氣流。流過(guò)后視鏡的氣流圍繞渦流中心軌跡線1和渦流中心軌跡線2螺旋狀前進(jìn)。

圖19 低速層與渦流中心運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖20 渦流軌跡中心線與流場(chǎng)示意圖

圖19和圖20詳細(xì)描述了低速層附近和低速層外部的流場(chǎng)，與圖9對(duì)應(yīng)，后視鏡后部產(chǎn)生回流，即低速層內(nèi)部存在復(fù)雜的回流。圖21為流過(guò)x=0.9m平面的流場(chǎng)示意圖。

圖21 流過(guò)x=0.9m平面的流線圖

由圖可見(jiàn)，在后視鏡與x=0.9m平面之間形成了2個(gè)沿著后視鏡長(zhǎng)度方向的渦流。這2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)渦流沿著后視鏡長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)至遠(yuǎn)離車(chē)窗的后視鏡外緣區(qū)域，并在該區(qū)域與流過(guò)后視鏡外緣的氣流混合，隨后流至后視鏡后方。后視鏡尾部區(qū)域中2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的渦流與平面3所示的低壓中心和渦流中心軌跡線的方向相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 壓力系數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)顯示側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)都是負(fù)值，氣流流動(dòng)到后視鏡尾部區(qū)域時(shí)需克服壓力梯度并產(chǎn)生回流。風(fēng)洞油流試驗(yàn)顯示氣流在后視鏡分離后在側(cè)窗區(qū)域再附著。仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的一致性驗(yàn)證了SSTk-ω湍流模型仿真方法的有效性。

(2) 行駛中車(chē)外后視鏡尾流區(qū)域流場(chǎng)中形成了低壓區(qū)和呈現(xiàn)近似半橢球形的低速層，低速層中存在沿2條渦流中心軌跡線流動(dòng)的反向旋轉(zhuǎn)渦流，并伴有劇烈的湍流。

(3) 后視鏡后方靜壓力明顯低于后視鏡罩面靜壓力，產(chǎn)生了壓差阻力。低速層中劇烈的湍流周期性作用于前側(cè)窗，造成了較高的脈動(dòng)壓力。低壓區(qū)和低速層的存在對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲有較大影響。

(4) 進(jìn)一步的研究考慮在后視鏡上運(yùn)用仿生減阻降噪結(jié)構(gòu)或后視鏡仿生造型設(shè)計(jì)，使流經(jīng)后視鏡區(qū)域的空氣快速排出，渦流發(fā)生區(qū)域下移，從而降低汽車(chē)高速行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力與噪聲。

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A Research on the Aerodynamic Characteristics in the WakeFlow Area of Exterior Rear-view Mirrors in a SUV

Chen Xin, Wang Shuo, Zhang Wu, Wu Yuanqiang, Ning Houyu, Hu Cuisong & Yang Changhai

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomobileSimulationandControl,Changchun130025

Exterior rear-view mirror is a protruding blunt object of vehicle, which has a greater effect on the aerodynamic drag and noise of vehicle. A method combining wind tunnel test and SST k-ω turbulence model simulation is used to explore the aerodynamic characteristics of the wake flow of rear-view mirror. The results of wind tunnel tests show that there are an adverse pressure region and a back flow in the wake flow area of rear-view mirror. And the results of simulation indicate that in the wake flow area of rear-view mirror, there are a low-pressure region and a half-ellipsoid-like low-velocity layer, in which there exist two counter-rotating vortices flowing along two vortex center trajectories and accompanied by apparent turbulences. Low-pressure region makes rear-view mirror produce local pressure drag, and the turbulences in low-velocity layer cause the fluctuating pressure on front side windows, they all have greater effects on the aerodynamic drag and noise of vehicle.

exterior rear-view mirror; wake flow; aerodynamic characteristics; wind tunnel test; simulation; low-pressure region; low-velocity layer

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175214)資助。

原稿收到日期為2015年10月23日，修改稿收到日期為2015年12月29日。