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有剪切的側(cè)風(fēng)流對汽車空氣動(dòng)力學(xué)的影響

2022-02-21 22:36:33·  來源：AutoAero  
　
摘要在風(fēng)洞中，風(fēng)對車輛的空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響是通過車輛偏航來模擬的，其中風(fēng)速在高度上保持恒定。但實(shí)際上，自然風(fēng)是一種層流，層與層間存在剪切，風(fēng)速隨高度
摘要
在風(fēng)洞中，風(fēng)對車輛的空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響是通過車輛偏航來模擬的，其中風(fēng)速在高度上保持恒定。但實(shí)際上，自然風(fēng)是一種層流，層與層間存在剪切，風(fēng)速隨高度而變化。本文進(jìn)行CFD 模擬來比較快背式和方背式DrivAer 模型受到側(cè)風(fēng)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，其中偏航模擬是在10°的偏航角下進(jìn)行的。結(jié)果表明，當(dāng)汽車高度上側(cè)風(fēng)的質(zhì)量流相似時(shí)，汽車在兩種情況下承受幾乎相同的力和力矩。
1.簡介
汽車受側(cè)風(fēng)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性只能在實(shí)驗(yàn)或虛擬仿真中近似模擬，這主要是因?yàn)槭褂梅€(wěn)態(tài)技術(shù)來研究本質(zhì)上的瞬態(tài)事件。在風(fēng)洞中，側(cè)風(fēng)的影響是通過設(shè)置車輛對氣流的偏航角來表示的，CFD也通常模擬這種安排。兩種方法都模擬了一輛行駛在有側(cè)風(fēng)的開闊道路上的汽車，其中風(fēng)速不隨高度變化。但在現(xiàn)實(shí)中，側(cè)風(fēng)中行駛的車輛位于地球大氣邊界層的最低區(qū)域，在這種剪切流中，速度在地面上為零，并隨著離地面高度的增加而增加，因此局部偏航角和合成速度都隨著汽車高度的增加而增加。
風(fēng)洞和CFD模擬也采用穩(wěn)定、低湍流的風(fēng)輸入，而自然風(fēng)可能是高度不穩(wěn)定的，并且可能包括顯著的湍流水平，如圖1所示。在本文中，僅研究圖1中間的情況所示的剪切流動(dòng)。
然而，與汽車相關(guān)的地面以上高度（即小于2m）的自然風(fēng)特性信息極其有限，可用數(shù)據(jù)是從更高（一般為10m）的建筑和風(fēng)力渦輪機(jī)獲得的數(shù)據(jù)推斷出來的，自然風(fēng)速Uz與地面高度z的關(guān)系如下所示：
（1）式中，U10是10m處的風(fēng)速，指數(shù)α取決于地形，表1給出了不同地形的典型α值。（ZG是每個(gè)地形的大氣邊界層的深度）
2.網(wǎng)格和邊界條件
DrivAer 模型具有一系列可互換的后端幾何形狀，因此，研究了剪切對快背和方背車輛類型的影響，模型的主要尺寸見表 2，并采用光滑的底部和封閉的發(fā)動(dòng)機(jī)艙以降低計(jì)算成本。
模型放置在距離主、次進(jìn)口分別為5L（Length=4.613m）和6L的計(jì)算域中，計(jì)算域尺寸為x=18L, y=13L, z=3L，底面設(shè)置為滑移，如圖2所示。車身表面大部分采用了尺寸為0.001L的網(wǎng)格單元，但在某些位置需要較小的尺寸為0.0001L的網(wǎng)格單元，以保證諸如A柱和C柱等彎曲部件表面的質(zhì)量。因此，快背式和方背式模型的面網(wǎng)格總數(shù)分別為2.7M和2.8M。邊界層總厚度為0.001L，層數(shù)為8。整個(gè)曲面上的無量綱近壁間距值y+<1可確保邊界層得到解析，而不是使用壁函數(shù)建模。
車身表面附近體網(wǎng)格大小為0.002L，該區(qū)域向車身下方延伸0.5L，向車身背風(fēng)側(cè)延伸0.3L，以捕捉偏航尾流。外層加密域向車身下方延伸2.7L，向車身背風(fēng)面延伸1L，體網(wǎng)格單元最大尺寸為0.14L,兩套網(wǎng)格的體網(wǎng)格總數(shù)約為69M。體網(wǎng)格如圖3和圖4所示。

在兩個(gè)入口處，速度分量Uv固定為27.8m/s，對于非剪切模擬，Uw速度分量取值為4.9m/s，沿Y軸正方向，故產(chǎn)生大約10°的偏航角和Ur=28.23m/s 的合成速度。對于剪切模擬，Uw速度分量采用圖5中所示的曲線（該曲線由公式1計(jì)算得出），并假設(shè)車輛高度上的質(zhì)量流量與未剪切情況中的質(zhì)量流量相同。指數(shù)α=0.16 表示開放、平滑的地形（見表1）。

還可以算出某一高度下的平均速度UWM：


其中UWH是高度H處的風(fēng)速，剪切剖面上出現(xiàn)該速度的高度z由下式給出：

從而可求得，無剪切時(shí)的速度是剪切時(shí)最大速度（車頂速度）的0.862倍，即是汽車高度的39.5%處的速度。
3.仿真方法
選擇分離流不可壓半隱式的基于壓力的有限體積求解器，所有模擬采用混合二階迎風(fēng)/有界中心差分對流求解方案，使用IDDES 湍流模型。二階時(shí)間方案減小了速度的數(shù)值耗散；1×10-4s的時(shí)間步長確保了LES區(qū)域內(nèi)的庫朗數(shù)低于1；每個(gè)時(shí)間步五次內(nèi)部迭代確保殘差的一致收斂。所有CFD模擬均使用CD-Adapco的 Star-CCM+軟件v10.04.009版本進(jìn)行。
在使用DES 方法計(jì)算1秒或6個(gè)對流單元的穩(wěn)定周期之前，使用穩(wěn)態(tài)RANS解算器初始化所有模擬。然后模擬運(yùn)行2秒 (12個(gè)對流流動(dòng)單元)，在此期間對流場進(jìn)行平均。理想情況下，這種平均間隔應(yīng)該更長，但本研究中的模擬次數(shù)多，且計(jì)算資源有限。在英國HPC-Midland設(shè)備的320個(gè)核心上并行運(yùn)行三秒大約需要五十八個(gè)小時(shí)。
4.結(jié)果
表 3(a) 和表 3(b) 分別給出了快背式和方背式的力系數(shù)結(jié)果，并與0°偏航（即無側(cè)風(fēng)輸入）時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
在10°偏航角下，有剪切與無剪切除升力系數(shù)外的力系數(shù)在所有情況下都變化不大，但沒有明顯的變化趨勢，在剪切流中，快背車的阻力和側(cè)向力略有增加，而方背車則相反。圖6、7和8分別給出了阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和升力系數(shù)在快背車和方背車上的分布。








阻力分布顯示在車身高度上，而側(cè)向力和升力分布顯示在車身長度上。將偏航時(shí)的阻力和升力數(shù)據(jù)與零偏航情況進(jìn)行比較，可以看到阻力雖有很大起伏，但無論是否偏航，分布的趨勢保持不變；升力分布也是如此。
在所有情況下，剪切和未剪切交叉流之間的局部載荷差異可忽略不計(jì)。由于在均勻流動(dòng)或剪切流動(dòng)中側(cè)向力沿X軸分布相似，兩種情況下的偏航力矩基本上相同。
5.討論
5.1平均阻力
氣動(dòng)阻力強(qiáng)烈依賴于偏航角，偏航角受風(fēng)速大小和方向影響。為了計(jì)算平均風(fēng)阻系數(shù)，假設(shè)側(cè)風(fēng)方向相同，速度剖面由公式（1）給出，故相同質(zhì)量流量時(shí)，剪切流速與等效平均流速相等處的高度與總高度的比值為一定值。對于此處研究的剪切流，α=0.16，高度比為0.395，如圖5所示。將α增加到0.40，高度比僅增加到0.431。此結(jié)果表明，在約40%車輛高度處的速度相當(dāng)于剪切流的平均速度，此高度大約在0.55至0.75m，一般為0.6m。
5.2阻力分布
圖 6(a) 和 6(b) 中的阻力分布表明，偏航時(shí)的剪切和非剪切分布基本相同，整體阻力系數(shù)也是如此。阻力在車頭產(chǎn)生，但會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)罩后部和車頂前緣產(chǎn)生局部負(fù)壓區(qū)。圖9（a）和圖9（b）分別給出了快背式和方背式車身的前端和后端阻力分布。實(shí)線為前端阻力，虛線為后端阻力。

比較圖9和圖6，可以看出，在車身高度上發(fā)生的局部阻力變化大部分在前端。相比之下，后部阻力系數(shù)分布相對均勻。兩種車身的前端阻力曲線形狀幾乎相同，因?yàn)檫@是一種常見的前端形狀，但有趣的是偏航與無偏航情況也相同。這表明，低偏航角時(shí)的阻力增加主要是由于后端阻力增加。
5.3升力和側(cè)向力分布
圖7所示的升力分布表明，升力在偏航時(shí)增加，主要位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車頂后部，尤其是在車頂后緣和后尾門上方，車頂?shù)挠L(fēng)邊緣可能會(huì)經(jīng)歷更高的速度。表3顯示，升力是受剪切影響最大的氣動(dòng)特性，車輛后軸處升力系數(shù)增加超過0.02，當(dāng)然，這種幅度的變化對駕駛員的影響可以忽略不計(jì)。
圖8的側(cè)向力分布顯示，側(cè)向力主要在車輛前部和擋風(fēng)玻璃處產(chǎn)生，且不同工況差別不大。
5.4載荷相似性
圖10顯示了在剪切和均勻側(cè)風(fēng)兩種情況下，快背車某橫截面內(nèi)的橫流速度等值線，橫流速度等值線位于擋風(fēng)玻璃頂部，此處局部側(cè)向力和升力均較高。比較圖10(a)和圖10(b)可以看出車身表面速度分布幾乎相同，而遠(yuǎn)離車身表面的速度分布則有很大不同。車身表面速度分布的相似性導(dǎo)致了表面壓力分布的相似性。
對于圖11所示的兩種情況，在相同的縱向位置（x=2.0m），車身周圍都會(huì)受到吸力的影響，偏航時(shí)在迎風(fēng)側(cè)略有增加，但車頂基本不變，而背風(fēng)側(cè)的A柱處產(chǎn)生了非常大的吸力增加。在局部載荷較高的位置，壓力分布相似，這也說明了為什么表3中剪切和未剪切工況的旋轉(zhuǎn)力矩幾乎相同。
5.5研究局限性和未來工作
所提供的數(shù)據(jù)似乎表明，當(dāng)橫風(fēng)中的質(zhì)量流在車輛高度上相同時(shí)，在剪切橫風(fēng)流中的車輛上的力和力矩與均勻流基本相等。然而，這一結(jié)論仍然不夠嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)橹辉趦煞N高度相同的車輛上得到了結(jié)果，模擬的汽車沒有內(nèi)部冷卻氣流，車身底部很光滑，且僅在一個(gè)偏航角和一個(gè)剪切流示例中獲得數(shù)據(jù)。
可以預(yù)計(jì)更高的SUV類型車輛將顯示出與方背式車輛相同的特性，但無法推斷其對MPV車型的影響，因?yàn)镸PV車型具有不同的前部形狀。
這項(xiàng)有限的研究表明，對于考慮的兩種車輛，剪切的影響很小或幾乎沒有。未來應(yīng)研究與汽車相關(guān)的任意偏航角度或者某范圍內(nèi)的影響，以及不同剪切流場；還應(yīng)研究不同車型和更真實(shí)的車身形狀。
6.結(jié)論
通過CFD 模擬比較快背式和方背式DrivAer 模型在受到剪切和均勻側(cè)風(fēng)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。
結(jié)果表明，當(dāng)汽車高度上側(cè)風(fēng)中的質(zhì)量流相似時(shí)，汽車在兩種情況下承受幾乎相同的力和力矩，這種空氣動(dòng)力學(xué)特性的相似性源于剪切橫流在接近車身時(shí)變得更加均勻。
文章來源：Howell, J., Forbes, D., Passmore, M., and Page, G., "The Effect of a Sheared Crosswind Flow on Car Aerodynamics," SAE Int.J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 10(1):2017, doi:10.4271/2017-01-1536.
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