不同波長瞬態側風對汽車氣動性能影響分析

黃泰明 谷正氣 豐成杰 陳 陣

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙,4100822.湖南理工學院,岳陽,414006 3.湖南文理學院,常德,415000

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不同波長瞬態側風對汽車氣動性能影響分析

黃泰明1,2谷正氣1,3豐成杰1陳 陣1

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙,4100822.湖南理工學院,岳陽,414006 3.湖南文理學院,常德,415000

利用大渦模擬對某轎車受到的瞬態側風進行研究，并采用自定義函數(UDF)控制邊界的方法實現了正弦側風在時間及空間上的瞬態變化，分析了三種不同波長的正弦側風對氣動力系數的影響，并將結果與風洞實驗及穩態模擬的結果進行對比。結果表明：受到瞬態變化的正弦側風時，氣動力系數呈周期性變化，但氣動阻力系數的變化頻率是氣動側力及橫擺氣動力矩系數變化頻率的兩倍；瞬態正弦側風波長減小時，氣動阻力系數的變化范圍逐漸減??；在瞬態側風作用下，A柱對汽車的氣動性能產生了重要影響。

大渦模擬;瞬態側風;波長;氣動力系數

0 引言

在實際環境中，受到氣候、周圍環境等因素的影響，高速行駛的汽車經常會受到側向風的影響，使車輛所受到的瞬態氣動力發生急劇變化，從而引起車輛行駛特性的改變，使車輛偏離正常的行駛軌跡，甚至引發交通事故[1]。因此，為了保證行車安全, 研究瞬態側風對高速行駛車輛氣動特性的影響是非常必要的[2]。

有學者采用復雜的風洞實驗方法對瞬態側風的影響進行了研究[3-4]，但利用風洞實驗再現汽車遇到側風的復雜工況是非常困難的。而采用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法研究瞬態側風是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態變化信息，可對實際行駛過程中的汽車氣動性能進行更深入研究[5-6]。但是，傳統的雷諾平均模擬(RANS)方法并不適用于瞬態的分析，特別是在瞬態側風或是復雜行駛工況下。Guilmineau[7]的研究表明,采用RANS方法模擬復雜的不穩定流場并不能反映真實的流場，而大渦模擬(large eddy simulation，LES)方法模擬瞬態流場是非常有效的。Cheng等[8]采用LES方法對某轎車尾部流程進行了模擬，模擬結果與實驗結果保持了良好的一致性。所以本文采用LES方法對瞬態側風進行模擬分析。

有很多學者采用CFD方法對側風進行了研究，如文獻[9]采用偏轉車身等形式的方法對側風進行了研究，但該方法無法對時變及空間同時變化的側風進行研究，且工作量巨大[10]。文獻[11]采用動網格的方法對側風進行研究,由于受到計算資源等的影響，所花費的時間非常長，給研究帶來極大的困難。自然界中的側風變化非常復雜，側風的方向、波長的變化對流場的影響產生重要影響[12]。用自定義函數(UDF)控制邊界條件實現側風的模擬，它所需要的資源遠低于動網格及偏轉車身等方法需要的資源，能節省大量的時間，本文采用UDF控制邊界的方法實現了瞬態側風在時間及空間上的變化，并研究了瞬態側風對流場及氣動力系數的影響。

本文采用LES方法對某轎車受到幾種不同波長正弦側風的影響進行了仿真分析，并在風洞中進行了穩態實驗，將穩態實驗結果與仿真結果進行對比，驗證了模擬的準確性。討論了不同波長的瞬態側風對氣動力的影響，并對車身周圍的流場進行了分析。

1 數值計算方法

1.1 模型的建立

建立1∶3的比例模型(圖1)，模型尺寸與風洞實驗模型尺寸一致。對原始模型進行適當的簡化處理，忽略門把手、雨刮器、后視鏡支架等，并對底盤做平整化處理。 簡化后的模型尺寸如下：車身長、寬、高分別為L=1588 mm，W=643 mm，H=505 mm。

圖1 車身簡化模型

1.2 計算域及邊界條件

數值仿真時采用的計算域為長方形，大小設置如下：入口距車前端5倍車長，出口距車后端7倍車長，總高度為5倍車高，為了保證側風進入流場后流場的穩定性，計算域兩側距車各10倍車寬(圖2)。阻塞比為0.95%，而在進行空氣動力學研究時，阻塞比一般不超過5%[13]。

圖2 計算域及邊界條件

邊界條件設置如下：①主入口。Velocity-inlet邊界，風速v=27.5 m/s。②側風入口。采用UDF控制風速及方向。③出口。兩個出口都采用Pressure-outlet邊界，出口處相對大氣壓力為0。④地面。Moving-wall邊界，自由滑移壁面。⑤頂面及車身表面。Wall邊界，無滑移壁面。

1.3 網格劃分及網格無關性

采用商用軟件ICEM CFD 15.0將計算域生成非結構化網格，由于車身周圍存在轉捩等復雜現象[14]，為了準確地模擬車身周圍的流場，對車身周圍需要重點關注的區域的網格進行加密，在本文中采用了5種不同密度的網格(圖3)；在車身表面拉伸出平行的三棱柱網格，以滿足壁面函數的需求，精確模擬汽車表面的附面層[15]；車尾流場影響主要是在近1.5倍車長區域[16]，故在尾部區域采用了3種不同尺寸的網格，以達到局部網格細化，更多地獲取尾部流場數據。

圖3 網格拓撲結構及附面層網格

為了進行網格無關性驗證，采用與風洞實驗一致的方法將車輛橫擺20°，在風速為30 m/s的工況下進行穩態仿真計算，并采用了三種不同數量的網格，將結果與風洞實驗結果進行對比。網格數量方案分別為9.32×106、1.47×107和2.08×107，其第一層網格中心到壁面的距離y+均小于1。計算所得的阻力系數Cd、升力系數Cl及實驗的結果見表1，由表1可知方案二能在保證計算精度的條件下消耗較少的計算資源，因此，本文仿真中采用的網格方案為方案二。

1.4 湍流模型

LES方法的基本思想是：湍流流動由不同尺度的漩渦組成，大尺度的渦旋對湍流能量和雷諾應力的產生以及各種量的湍流擴散起主要作用。大渦的行為強烈地依賴于邊界條件，隨流動的類型而異。小渦對上述職能的貢獻較小，最小的渦主要起耗散作用[17]。在高雷諾數下，小渦近似于各向同性，受邊界條件影響較小，具有較大的共同性。雖然目前的計算機還不能計算到耗散尺度，但能夠小到慣性區尺度，所以可通過離散時間相關的N-S方程來確定大渦的行為，而用較通用的模型去模擬小渦的作用。這種方法比直接求解RANS方程和DNS方程效率更高，消耗系統資源更少，但卻比一般湍流模型方法更精確。

表1 不同數量網格氣動力系數對比

(1)

經過濾波后的基于LES 的非定常不可壓N-S方程可表示為

(2)

(3)

式中,vSGS為網格運動的渦流黏度。

本文采用Smagorinsky模型，則亞格子湍流黏性可表示為

(4)

1.5 側風模型

汽車在實際行駛時受間隔的建筑物、路基或路旁的灌木叢等影響，使得汽車受到的側風呈正弦變化或近似正弦規律變化，所以本文主要研究的側風為正弦側風。考慮到自然界側風受到環境及氣候的影響，側風在空間及時間上是瞬變的，且側風的大小及方向都是在不斷變化的[19]，故本文主要研究三種不同波長的側風。正弦側風模型表示為

u=u0sin 2π(X/λ-ft)

其中，u0為側風的最大風速，本文中側風風速最大值為10 m/s；λ為側風的波長，為了使所選取的波長更有代表意義，在本文中取三種波長分別為L、2L和6L，在這三種工況中能更好地觀察車身表面壓力及周圍流程；X為計算域沿X軸方向的坐標；f為側風變化的頻率，由于側風沿X軸方向運動的速度為主入口的風速v，所以側風的頻率為f=v/λ。圖4為本文所模擬正弦側風示意圖。

圖4 正弦側風示意圖

2 結果分析

2.1 實驗驗證

對本文湍流模型的準確性進行了驗證，因無法獲取受瞬態側風實驗數據，故采用與其他學者相似的方法進行驗證[20]。在湖南大學HD-2風洞中進行了穩態實驗，該風洞高速試驗段橫截面為矩形，長17 m，寬3 m，高2.5 m，最大風速為58 m/s，收縮比為3.2；風洞速度場的不均勻性小于1%，占截面積的76%以上。其中氣動阻力測試采用六分量浮框式應變汽車專用天平。為了保證準確性，實驗采用了1∶3的比例模型，與仿真模型一致，風洞實驗現場如圖5所示。

圖5 風洞實驗現場

圖6為橫擺角為20°時Y=0截面速度云圖及流線圖，在圖6a中可以發現車輛縱對稱面尾部存在一個自由滯止點的渦A。圖6b所示為采用LES模擬穩態側風的結果，與實驗結果基本一致，自由滯止點渦A的形狀也基本一致，但與粒子圖像測速技術(particle image velocimetry,PIV)實驗結果得到的渦的大小、位置有一定的差異；實驗時渦A要比仿真時稍大，仿真時渦A在水平方向上離車身更近，而在實驗時渦A在豎直方向上離地面更高一些。差異存在的原因主要是實驗時環境與數值模擬有一定的差別。這也證明了本文所選取的湍流模型的可靠性。

(a)PIV實驗

(b)數值模擬圖6 縱對稱面速度云圖及流線圖

2.2 不同波長的側風對氣動力系數的影響

本文主要對3種不同波長下的瞬態側風對氣動阻力系數Cd、氣動側力系數Csd及氣動橫擺力矩系數Cm的影響進行分析。采用大渦模擬時每步的計算氣動力系數及流場結果都被保存，如圖7～圖10所示。

圖7 氣動阻力、側力及橫擺氣動力矩系數曲線(λ=L)

圖9 氣動阻力、側力及橫擺氣動力矩系數曲線(λ=6L)

(a)λ=L

(b)λ=2L

(c)λ=6L圖10 Z=70 mm截面上Y方向的速度分布云圖

由于本文中的側風為時間及空間瞬變側風，無法按常規的穩態側風方式確定合成側風的方向，即無法確定車輛橫擺角θ，故指定在車輛最前點O點處(圖4)的正上方4倍車高處的Y方向風速(側風風速)與X方向風速(主入口風速)合成的角度為車輛橫擺角，則本文中車輛橫擺角θ的范圍為-20°～20°。

從圖7～圖9可以發現，隨著側風在時間和空間上發生周期性變化，汽車上所受到的氣動力系數也發生周期性變化。側風的波長發生變化，導致車輛所受到的氣動力系數變化的周期也明顯不同，側風波長越小，氣動力及橫擺氣動力矩系數變化的周期越短。還可以發現，隨著正弦側風的波長發生變化，汽車所受到的氣動側力系數以及橫擺氣動力矩系數的變化幅度發生明顯的變化，正弦側風的波長越長，氣動側力以及橫擺氣動力矩系數變化幅值越大，而氣動阻力系數的變化幅值相對要小一些。

從圖10可以發現車身受到波長λ分別為L、2L和6L三種不同正弦側風作用時，計算域內Y方向速度場也呈現出正弦分布。在車身兩側及尾部流場由于受到車身周圍氣流遲滯效應的影響[21]，車身周圍流場Y方向的速度分布出現不規律變化；離尾部較遠處的網格沒有加密，導致速度呈正弦分布的趨勢減弱。

圖11～圖13所示為按橫擺角變化的單周期內氣動力系數的變化跡線，即將圖7中的氣動力系數曲線用車輛位置變化表示?？梢园l現：在實驗及穩態模擬下，氣動力系數相差很小，且基本上都是隨著橫擺角度的變化而線性變化的；在瞬態正弦側風作用下變化趨勢完全不同。從圖11～圖13可以發現穩態模擬的氣動阻力、側力及橫擺氣動力矩系數與風洞實驗相差很小，最大誤差不超過6%，變化趨勢也基本一致，驗證了該湍流模型數值計算的可靠性。

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實驗 5.穩態仿真圖11 氣動阻力系數變化跡線

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實驗 5.穩態仿真圖12 氣動側力系數變化跡線

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實驗 5.穩態仿真圖13 橫擺氣動力矩系數變化跡線

2.2.1 不同波長的側風對氣動阻力的影響

圖11中氣動阻力系數的跡線呈現“蝴蝶結”形，可以發現氣動阻力系數的變化頻率是側風變化頻率的兩倍；還可以發現隨著側風波長的逐漸減小，氣動阻力系數的變化逐漸變小，波長為L時，最大、最小氣動阻力系數分別為0.339和0.284，變化幅度為0.055；波長為6L時，最大、最小氣動阻力系數分別為0.353和0.282，變化幅度為0.071，波長為6L時氣動阻力系數變化幅值比波長為L時的氣動阻力系數變化幅值增大約30%。在穩態仿真時最大、最小氣動阻力系數分別為0.3657和0.2847，變化幅值為0.081，穩態模擬時氣動阻力系數變化幅值比波長為L時的氣動阻力系數變化幅值增大約47%。隨著側風波長的逐漸減小，側風波長逐漸接近于車長，氣動阻力系數的變化范圍也越來越小。

對氣動阻力產生影響的一個重要因素是尾渦結構[22]，而從圖14～圖16可以明顯發現：在不同波長的側風影響下尾渦的位置及形狀完全不同。這主要是因為側風的波長越小，在車長范圍內氣流的速度及方向變化越快，從而導致尾部氣流在分離時就被迅速變化的氣流所影響，故在圖14中無法觀察到明顯的渦系結構；在圖15和圖16中由于側風的波長較長，導致車身周圍氣流變化速度相對較慢，對尾部氣流的分離干涉較小，也就可以觀測到明顯的渦系結構。

圖14 橫擺角為20°時Y=0截面尾部的流線圖(λ=L)

圖15 橫擺角為20°時Y=0截面尾部的流線圖(λ=2L)

圖16 橫擺角為20°時Y=0截面尾部的流線圖(λ=6L)

2.2.2 不同波長正弦側風對氣動側力及橫擺氣動力矩的影響

從圖12、圖13可以發現氣動側力系數及橫擺氣動力矩系數變化跡線近似于橢圓形，且呈現出旋轉對稱性，表示氣動側力系數及橫擺氣動力矩系數的變化頻率與正弦側風的變化頻率一致。橢圓形跡線的寬度反映出在不同波長下氣動側力及橫擺氣動力矩系數的相位的變化，從圖12、圖13可以發現，隨著波長的減小，氣動側力及橫擺氣動力矩系數的相位變化更明顯。

(a)無側風

(b)有側風狀態(0.8 s時)

(c)有側風狀態(0.82 s時)圖17 側風波長λ=L時車身表面的壓力分布

側風波長變化引起氣動側力及橫擺氣動力矩系數相位明顯變化的主要原因是車身表面所受到Y向壓力的變化。從圖10可以發現：在不同的波長情況下，車身周圍的Y向速度變化很大，從而對車身表面的壓力分布產生重要的影響；波長越短，車身表面沿X方向的壓力呈現出正負分布的趨勢，從而對車身所受到的橫擺氣動力矩變化產生重要影響。圖17所示為側風波長λ=L時車身表面的壓力分布。可以看出：側風波長為L時，在不同的時刻車身兩側表面的壓力分布明顯不同，且在圖17b與圖17c中車身所處的側風剛好相差1/4個相位，車身左右兩側沿X方向正負壓區的位置也明顯間隔一段距離，且受瞬態側風在不同時刻與不受側風時車身表面的壓力分布也存在區別明顯。同理，其他時刻及不同波長的正弦側風在車身兩側表面的壓力也會存在相似的變化規律。

從圖12可以發現：當側風的波長增加到6L時，氣動側力系數的跡線所形成的橢圓形的寬度非常小，變化趨勢與穩態模擬及實驗所得的結果非常相似;當側風波長為2L及L時，氣動側力系數與穩態仿真結果存在明顯的區別。

從圖13可發現：橫擺氣動力矩系數變化趨勢與氣動側力系數的變化趨勢相似，隨著側風波長的增大，橫擺氣動力矩系數的相移變小，當側風波長為L時，橫擺氣動力矩系數的跡線近似于圓形。而橫擺氣動力矩系數的跡線與氣動阻力及側力系數跡線存在的最大區別是：側風波長越小時，橫擺氣動力矩系數跡線的對稱軸接近于水平，而氣動阻力及側力系數跡線的對稱軸并不存在此現象。這也說明在瞬態正弦側風作用下，側風波長接近車長時，車輛橫擺角對橫擺氣動力矩的影響比車輛橫擺角對氣動側力的影響要小一些。

波長不同時車身周圍的渦量見圖18?？梢园l現：在不同波長的側風作用下，車身周圍的渦量圖有明顯的不同，這說明車身周圍的氣流分離及流動狀態明顯不同，對車身表面壓力及橫擺氣動力矩產生影響；特別是A柱所形成的拖拽渦在不同波長的側風作用下長度明顯不同，拖拽渦越長影響越大[23]；波長為6L時，A柱所形成的拖拽渦對后風擋及行李箱蓋上的氣流也產生了影響，而在波長為L時拖拽渦只是到車頂部，這說明在不同波長的側風作用下A柱對氣動性能也產生了重要影響。

(a)λ=L

(b)λ=6L圖18 波長不同時車身周圍的渦量圖

3 結論

(1)受到空間及時間變化的瞬態正弦側風時，氣動阻力系數、側力系數及橫擺氣動力矩系數都呈現周期性變化；氣動阻力系數周期性變化的頻率是正弦側風變化的2倍，而氣動側力系數及橫擺氣動力矩系數變化的頻率與正弦側風變化的頻率基本一致。

(2)受到瞬態正弦側風時，正弦側風的波長越大，氣動側力系數及橫擺氣動力矩系數跡線趨勢與穩態模擬及實驗的變化趨勢相似；波長越小，差別越大。

(3)受到不同波長的正弦側風作用時，側風的波長對氣動側力及橫擺氣動力矩系數相位變化產生重要影響，側風的波長與車長相近時相位變化很大。

(4)在側風作用下A柱對汽車的氣動性能產生重要影響，側風波長越長，A柱所產生的影響越大。

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(編輯 陳 勇)

Analysis for Effects of Transient Crosswinds with Different Wave-lengths on Vehicle’s Aerodynamics Performance

Huang Taiming1,2Gu Zhengqi1,3Feng Chengjie1Chen Zhen1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan University,Changsha，Hunan,410082 2.Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang,Hunan,414006 3.Hunan University of Arts and Science,Changde,Hunan,415000

The large eddy simulation was used to investigate the vehicles subjected to transient sinusoidal crosswinds, and the transient crosswinds were changing in time and space, which was realized by the user defined function(UDF) to control the boundary conditions. The effects of the transient crosswinds with three different wave-lengths on the coefficient of the aerodynamic forces were analyzed, and the results were compared with the experimental and the quasi-steady simulation. The results show that: the coefficients of the aerodynamic forces are changing in periodic when the vehicles subjected to the transient sinusoidal crosswinds, but the change frequency of the coefficients of the drag forces is two times of the coefficients of lift and yawing moments. The changing range of the coefficients of drag forces are gradually decreased when the wavelengths of the crosswinds are reduced. The A-pillar has important influences on the vehicle aerodynamic performances in crosswinds.

large eddy simulation(LES); transient crosswind; wave-length; coefficient of aerodynamic force

2015-12-14

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA041805)；中央財政支持地方高校專項資金資助項目(0420036017)；湖南大學汽車車身先進設計與制造國家重點實驗室自主課題(734215002); 長沙市科技計劃資助重點項目(K1501011-11)

U469

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.022

黃泰明,男,1982年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生，湖南理工學院機械工程學院講師。主要研究方向為汽車車身與空氣動力學、整車性能分析與優化。谷正氣,男,1963年生。湖南大學機械與運載工程學院教授、博士研究生導師,湖南文理學院教授。豐成杰,男,1991年生。湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。陳 陣,男,1988年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生。