類車體超車過程氣動阻力分析研究

摘?要：采用低雷諾數(shù)（Re）SSTk-ε模型和高雷諾數(shù)（Re）SSTk-ε模型兩種方法來模擬類車體超車過程。分析了氣動阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系統(tǒng)的變化規(guī)律，并對分析結(jié)果與相關(guān)的參考文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：類車體;雷諾平均數(shù)值模擬;超車;氣動阻力

中圖分類號：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.03.091

1?引言

兩輛相向運(yùn)動的汽車，其周圍空氣流動變化劇烈，同時，這種空氣流動是無規(guī)則的，也就是說，此流動隨時間和空間都呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動，俗稱湍流流動。為了能夠更好地模擬汽車超車過程中車體周圍的空氣流動，首先對汽車進(jìn)行了簡化，簡化后的模型稱其為類車體（Ahmed Car）。類車體超車過程雖然不能夠完全真實(shí)地展示出汽車在超車過程中車體周圍的流場及其氣動特性，但其與汽車超車過程中的車體周圍的流場及氣動特性的變化趨勢基本一致。

與汽車運(yùn)動一致，簡化后的類車體（Ahmed Car）在運(yùn)動過程中，其周圍流場具有湍流特性。為了更好地模擬類車體超車過程中其車體周圍的流場特性，本文選用7：10的類車體縮尺模型，采用雷諾平均數(shù)值模擬的方法，模擬Ahmed Car的超車過程，根據(jù)模擬結(jié)果，分析氣動阻力系數(shù)等氣動特性，同時，將計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文數(shù)值模擬計(jì)算方法的有效性和可行性。

2?幾何模型及流暢空間離散

類車體（Ahmed Car）是汽車等近地運(yùn)動物體的簡化模型。參考文獻(xiàn)[2]，在研究類車體超車過程中，類車體幾何模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸如圖1所示。圖中尾部傾角α為30°，在兩種類型的雷諾數(shù)計(jì)算過程中，該傾角保持不變。

在本模型中，設(shè)置溫度為25°C，運(yùn)動粘性系數(shù)ν=1.55×10-5m2/s，空氣密度為ρ=1.1805kg/m3;采用雷諾平均數(shù)值模擬中的低雷諾數(shù)SSTk-ε模型和高雷諾數(shù)SSTk-ε兩種方法來模擬類車體超車過程，之后，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件，在網(wǎng)格劃分過程中，將整個模型分為5個子模塊，分別對5個子模塊進(jìn)行網(wǎng)格化分，在參數(shù)設(shè)置前，利用STAR-CD軟件中的耦合技術(shù)，將5個模型合為一體。同時，根據(jù)流場流動的特點(diǎn)，并結(jié)合滑移網(wǎng)格化的需要，在網(wǎng)劃分過程中應(yīng)用了5Body（圖2所示）的做法。

本文中，低雷諾數(shù)計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)約為598萬（y+=1）和575萬（y+=3），高雷諾數(shù)計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)約為470萬。不同計(jì)算方法，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量的不同，在網(wǎng)格劃分過程中，結(jié)合后期模擬過程，并運(yùn)用相對運(yùn)動原理，可將整個網(wǎng)格分為兩種類型，即運(yùn)動網(wǎng)格和靜止網(wǎng)格，不同計(jì)算中，靜止網(wǎng)格分布基本一致，而網(wǎng)格數(shù)量的差異在運(yùn)動網(wǎng)格布置上，網(wǎng)格布置方式主要依據(jù)了流體運(yùn)動的特性。

3?數(shù)值計(jì)算方法

類車體外部繞流的氣流形態(tài)主要有兩種：層流和湍流。對層流而言，流體流動是有規(guī)律的分層流動，層與層之間的流動互不干擾;湍流狀態(tài)，流體流動是不規(guī)則的，流場中流體的速度、壓力等隨時間和空間都呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動。

雷諾平均數(shù)值模擬從雷諾平均方程出發(fā)，預(yù)測湍流的平均速度場、平均標(biāo)量場和平均作用力。該方法的網(wǎng)格尺度允許較大，對計(jì)算機(jī)內(nèi)存和速度的要求是三者中最低的，因此它也是目前工程湍流計(jì)算中所采用的主要方法，也是本文所運(yùn)用的方法。在雷諾平均數(shù)值模擬中，又分為不同種類型的模型，其中，1994年MenterF R提出了SSTk-ω剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型，它是一種在工程上得到廣泛應(yīng)用的混合模型，在近壁面采用Wilcoxk-ω模型，在邊界層邊緣和自由剪切層應(yīng)用了k-ε模型。因此在本文的湍流模型選用中，選用了低雷諾數(shù)SSTk-ε模型和高雷諾數(shù)SSTk-ε模型。

4?計(jì)算結(jié)果

4.1?基于低雷諾數(shù)湍流模型模擬

在低雷諾數(shù)湍流模型模擬過程中，采用了y+=1和y+=3兩種壁面法向無量綱距離。同時，為了便于數(shù)值模擬，在超車過程中，設(shè)置一輛車為靜止車，另一輛車為運(yùn)動車，一靜一動的結(jié)合，簡化了兩輛車同時運(yùn)動時超車的繁瑣性。

氣動阻力集中反映了湍流流場與車體之間的相互作用，流場運(yùn)動越劇烈，相互作用越強(qiáng)烈。圖3（a）（b）（c）和圖4（a）（b）（c）均反映了車體在運(yùn)動過程中，隨著兩車的距離的靠近，車體所受到的氣動阻力上升，隨著兩車距離的遠(yuǎn)去，車體所受到的氣動阻力逐漸下降。

圖3（a）（b）（c）分別給出了兩種y+下相對靜止車的總阻力系數(shù)、壓差阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)曲線圖。從圖中可以看出，相對靜止車總阻力、壓差阻力系數(shù)在不同y+下，其曲線走勢是一致的，但其峰值略有差異;粘性阻力系數(shù)其值變化很小，兩種y+下其值均約在-0.188至-0.182之間變化。

圖4（a）（b）（c）分別給出了兩種y+下相對運(yùn)動車的總阻力系數(shù)、壓差阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)曲線圖。總體上，運(yùn)動車與靜止車在相遇之前，其各種阻力系數(shù)基本保持恒定，但，運(yùn)動車與靜止車相比，在兩車相遇之前，運(yùn)動車的各種阻力系數(shù)的波動在略大一些的范圍內(nèi)保持恒定。從圖4（a）（b）中可以看出，y+=3曲線的恒定范圍約為0.07至0.11，而y+=1曲線的恒定范圍約為0.045至0.076;這表明運(yùn)動網(wǎng)格越密，模擬結(jié)果越精細(xì)。從圖4（c）中可以看出，在整個超車過程中，兩種不同的y+下，粘性阻力系數(shù)均在-0.18至-0.16之間變化，換句話說，在類車體超車過程中，粘性引起的阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計(jì)。

4.2?基于高雷諾數(shù)湍流模型模擬

根據(jù)壁面法向距離的不同，低雷諾數(shù)湍流模型模擬過程中，采用了y+=25的壁面法向無量綱距離模擬類車體超車過程。整模擬過程與低雷諾數(shù)湍流模型模擬一致，兩車分為靜止車和運(yùn)動車。

從圖5和圖6中均可以看出，靜止車和運(yùn)動車在整個超車過程中，車體壁面所受到的各種阻力的變化趨勢是一致，這與低雷諾數(shù)湍流模型模擬的結(jié)果也是一致。從圖5（c）和圖6（c）中可以看出，粘性引起的阻力系統(tǒng)在整個超車過程中變化不大，但運(yùn)動車的波動幅度較靜止車略有增加。與低雷諾數(shù)湍流模型模擬結(jié)果一直，在類車體超車過程中，粘性引起的阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計(jì)。

4.3?數(shù)值方法驗(yàn)證

在數(shù)值方法驗(yàn)證過程中，選取靜止車和運(yùn)動車的側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系統(tǒng)兩種參數(shù)，與參考文獻(xiàn)[6]中的結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，曲線圖見圖7、圖8。

從圖7（a）中可以看出，在X/L=1附近，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果接近，但與試驗(yàn)結(jié)果誤差約為19%，說明此結(jié)果很不理想。在X/L=0附近，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果相比，本文模擬結(jié)果要優(yōu)于文獻(xiàn)結(jié)果，但與試驗(yàn)結(jié)果誤差約為15%。

從圖7（b）中可以看出，在X/L=-0.5和X/L=0.5附近，傾覆力矩系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，誤差分別約為22%和16%。

從圖8（a）中均可以看出，在X/L=1附近，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果接近，與試驗(yàn)結(jié)果誤差約為26%，在X/L=0附近，計(jì)算結(jié)果更接近于試驗(yàn)值，其誤差約為3%。

從圖8（b）中可以看出，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果的曲線基本一致，在X/L=1附近，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果誤差約為2%，在X/L=-0.5附近，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果基本一致，與試驗(yàn)結(jié)果誤差相差較大，約為20%。

由以上分析可以知，本文采用兩種方法模擬類車體超車過程的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果趨勢基本一致，最大誤差約為26%，這說明，本文所選用的計(jì)算方法是可行的，但在網(wǎng)格劃分等其他細(xì)節(jié)方面有待提高。

5?結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）對比兩種不同的壁面法向無量綱距離計(jì)算結(jié)果，邊界層內(nèi)網(wǎng)格越密，對類車體氣動力系數(shù)的刻畫會更為精細(xì)。

（2）分析不同雷諾數(shù)湍流模型模擬類車體超車過程中的各種阻力，由粘性阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計(jì)。

（3）對類車體受到的側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)與文獻(xiàn)結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析對比，結(jié)果表明，本文的數(shù)值模擬計(jì)算方法的有效性和可行性。

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