侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究.pdf

2 0 1 0年 第 3 2卷 第 1 期 汽车工程 Au t omo t i v e En g i n e e r i n g 2 01 0 0 0 3 侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法 的研究 米 龚旭 ， 谷 正气 ， 李振磊 ， 姜 乐华 ， 贾新建 ， 宋昕 1 ．湖南大学， 汽车车身先进制造国家重点实验室， 长沙4 1 0 0 8 2 ； 2 ．国防科技大学指挥军官基础教育学院， 长沙4 1 0 0 7 3 [ 摘要] 采用 3种不同方法， 利用计算流体力学软件 F L U E N T对侧风状态下轿车的气动特性进行了数值模拟 ， 得到了不同侧风状态下轿车气动阻力系数和侧力系数随横摆角而变化的曲线。讨论了不同方法的优缺点并将模拟 结果与风洞实验进行对比， 结果表明采用合适的数值模拟方法可省时省力地获得接近于实验的结果。 关键词 汽车空气动力学； 侧风 ； 数值模拟 ； 风洞实验 A S t u d y o n t h e Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Ca r Ae r o d y n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s Un d e r Cr o s s wi n d Co n d i t i o n s Go ng Xu‘ ，Gu Z h e n g q i ， L i Z h e n l e i ， J i a n g L e h u a ， J i a X i n j i a n S o n g Xi n 1 ． H u n a n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e d D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n gf o r V e h i c l e B o a r ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． C o l l e g e ofB a s i c E d u c a t i o n f o r O ffw e n， N a t io n a l U n i v e r s i t y o fD r t e T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 [ A b s t r a c t ] B y a d o p t i n g 3 d i f f e r e n t s c h e m e s a n d u s i n g C F D s o f t w a r e F L U E N T， n u m e r i c a l s i mu l a t i o n s o n t h e a e r o d y n a mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f a c a r u n d e r c r o s s wi nd c o n d i t i o n s a r e c o n d u c t e d，a n d t h e c a r a e r o d y n a mi c d r a g a nd s i d e f o r c e c o e f fic i e n t c u r v e s a s t h e f u n c t i o n s o f y a w a n g l e u nd e r d i f f e r e n t c r o s s wi nd c o n d i t i o n s a r e o b t a i n e d ．Th e a d ． v a n t a g e s a n d d r a wb a c k s o f d i f f e r e n t s c h e me s a r e d i s c u s s e d a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h t h a t o f t u n ． n e l e x p e r i me n t s ． T he r e s u l t s s h o w t h a t a d o p t i n g a p p r o pr i a t e n u me ric a l s i mu l a t i o n s c h e me c a n g e t a r e s u l t c l o s e t o e x p e rime n t wi t h l e a s t t i me a nd e f f o r t s ． Ke y wo r dsv e h i c l e a e r o dy na mi c s；c r o s s wi nd；n u m e r i c a l s i mul a t i o n；wi nd t u nne l e x p e r i m e n t 刖 吾 高速行驶的车辆经常会遇到侧向风 的干扰 。当 侧向风作用于车辆时 ， 会使气 动力和气 动力矩 发生 变化 ， 从而引起汽车行驶特性 的改变 ， 使车辆偏离正 常的行驶方向。为了消除汽车 的偏离运动 ， 驾驶员 要随时转动转向盘 ， 这将导致驾驶员疲劳 ， 极易引起 交通事故的发生。因此 ， 为了保证行车安全 ， 研究侧 风对于高速行驶车辆气 动特性 的影响是非 常必要 的 。 国内外发表的文献 中对于侧风作用下高速行驶 车辆气动特性有不同的计算方法 I 4 J ， 这些 方法各 有其优缺点 ， 且没有对这些方法进行相关的对 比分 析 。因此文 中采用 3种不同的计算方法对侧风状态 下的某轿车进行仿真分析 ， 并通过与实验结果相 比 较总结得出了适用于侧风作用下车辆气动特性的计 算方法 。 1 计算方法分析 车辆在行驶过程中遇到侧风 的情形 如 图 1所 示。图 中 ，为 侧 向风速 ， 为车辆的行驶速度 ， 为 车速与侧 向风 速 的合 成 速 度， O t 为横摆角。对于侧风状态 图 1 速度示 意图 国家 8 6 3计划 2 0 0 7 A A 0 4 Z 1 2 2 ， 湖南省科技计划重大项 目 0 6 F J 2 0 0 1 和教育部长江学者创新团队发展计划项 目 5 3 1 1 0 5 0 5 0 0 3 7 资助。 原稿收到 日期为 2 0 0 9年 4月 6日， 修改稿收到 日期为 2 0 0 9年 5月 2 5日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第 1期 下车辆气动特性分析的计算方法一般可分为 2类。 1 “ 偏车” 即根据不同的车速和侧风风速 计算得出相对应的横摆角 ， 在建模时 ， 将车辆模型 偏转相应 的角度 ， 如 图 2所示 这里称 为 ‘ 方 法 一 ’ J 。在这种情况下 ， 车辆模型与 Y轴 的夹角为 ，入 口速度的大小应为车速与侧向风速的合成速度 ，方向沿 Y轴负向。 图2 方法一计算域示意图 2 “ 偏风” 改变 和 用于模 拟轿车行驶 时受到各种大小不 同、 方 向垂直于轿 车纵 向对称平 面的侧风影响状况。即在模型建立时不偏转车辆模 型的角度 ， 而在入 口和左壁面 侧风作用面 的条件 设置时根据车速和侧风风速的大小 、 方 向进行相应 设置。对于这种计算方法 ， 在入 口和左壁面条件设 置时又有 2种方式。一种是入 口速度的大小设置为 相对应的车速 ， 方 向为 Y轴负向， 左壁面速度设置 为相对应的侧风速度 ， 方向为 轴正 向 如 图 3 所示 ， 称为 ‘ 方法二 ’ 。另一种是入 口速度和左壁 面速度大小均为车速 与侧 向风速 的合成速度 ，速度方向与车辆模型间的夹角为 如图 4所 示 ， 称为 ‘ 方法三’ 。 图3 方法二计算域示意图 图 4 方法 三计算域示意 图 2 计算工况设置 2 ． 1 模型及计算域的设置 所采用的轿 车模 型如 图 5所示。为减少计算 量 ， 在建模 过程 中进行 了适 当的简化 ， 忽略 了后视 镜 、 雨刮器等外 凸装置和复杂曲面 ， 将底盘简化为平 面。车辆 外形 尺寸 长 宽 X高 为 3 8 0 0 m m 1 5 0 0mm 1 2 0 0r n m 图5 轿车模型 模型的网格划分如图 6所示。为了更准确地模 拟 ， 在网格划分时采用了密度核 ， 对轿车所在区域的 局部网格加密。 图 6 模 型网格示意 图 文中所采用的计算域均为长方体 ， 如图 2～图 4 所示 。对于这 3种方法 ， 在 Y方向上 ， 轿车车头与入 口边界的距离为 3倍轿 车长 ， 轿车车尾与 出口边 界 的距离为 7倍轿车长； 在 方 向上 ， 顶面和地面间的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 龚旭， 等 侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究 l 5 距离为 4倍轿车高。在 方 向上 ， 对于方法一 ， 轿车 的对称面距左壁面和右壁面的距离均为 4 ． 5倍轿车 宽； 对于方法二和方法三 ， 轿车的对称面距左壁面的 距离为 5倍轿车宽 ， 距右壁面的距离为 9倍轿车宽。 2 ． 2边界条件的设置 对于不同的计算方法 ， 边界条件 的设置也有所 不 同， 具体如表 1所示 。 表 1 边界条件设置 边界 方法一 方法二 方法三 速度进 口边界 0 0 1 入 口 FY 一 R Y 一 2 一 一 2 0 0 ” ；0 出口 压力 出口边界 顶面 壁面边界 地面 壁 面边界 ， 速度方 向为 Y轴负向 速度进 口边界 左壁面 壁面边 界 V x 1 口 1 y0 Y 一 2 0 0 右壁面 壁 面边界 压力出 口边界 轿车表面 壁面边 界 2 ． 3湍流 模型 汽车外流场一般为定常 、 等温 、 不可压缩 的三维 流场 ， 由于车辆外形复杂容易引起分离 ， 所以应按照 湍流来进行处理 。R e a l i z a b l e k - 8模型能有效用于各 种不同类型的流动模拟 ， 与标准 k - 6模型相 比更能 使流动符合湍 流 的物理 定律 ， 因此采 用 R e a l i z a b l e k - 8 模型 ] ， 其基本方程为 未 - 1 - k 1O t Ox Ox or O x 【 ＼ ／ ，J 1 毒 o r , 1 a xj Ia t cgx 0 x 0 x ． ， ，【 ＼ p C 1 E 占一 p C 2 k √ 8 式 中 G 为由平均速度梯度 引起 的湍动能 的产生 项 ， o r 和 o r 分别为与湍动能 k和耗散率 对应 的 P r a n d t l数。 Or 1 ． 0， o r 1 ． 2， C21 ． 9， c t a x 0 ．4 3 ， ，卵 2 1／2L ， 2 a u OX i 3 仿真分析 对于方 法一 ， 当横 摆角 O ／ 为 0 。 时其计 算域对 称 ， 对于方法二和方法三 由于设 置 了左壁 面为侧 风 作用面 ， 即使横 摆角 为 0 。 时其计算 域亦 为非对 称。文 中采用方法一 、 方法二 和方法三分别模 拟了 横摆角 O ／ 为 0 。 、 3 。 、 6 。 、 9 。 、 1 2 。 、 1 5 。 ， 口 3 0 m ／ s 共 6 种工况 。对于方法二和方法 三所需要 的 和 可 根据横摆角 O ／ 和 通过 三角 函数 公式计算 得 出。 仿真计算结果如图 7 、 图 8所示。 3 O 2 ．5 2 ．0 鬟 晕 1 0 O 5 O ． 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 横摆角， 。 图 7 阻力 系数 0 2 4 6 8 l O l 2 1 4 1 6 横摆角／ 。 图 8 侧力系数 为了对 比3种方法计算 的准确性 ， 将此轿车模 型进行风洞实验 。实验模 型根据 C A D模型通过数 控加工中心加工而成 ， 缩尺 比例为 1 4 。模型阻力 和侧力由六分力浮框式专用汽车天平测得 ， 汽车天 平转盘可 以旋转 以测 得不 同横摆 角下轿 车的气动 力 。由于汽车侧风的实车实验难 以进行 ， 一般将车 辆横摆角实验结果和仿真结果进行对 比。图 9为轿 车模型风洞实验图。风洞实验结果 同时绘在 图 7和 图 8中， 以便与 3种方法仿真结果对 比。 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第 1 期 图9 轿车模型风洞实验图 从 图7 、 图 8中可 以看出， 其变化趋势和 国外的 仿真与实验结果 J 一致 ， 即车辆的阻力系数和侧力 系数随横摆角的加大而增高。同时可以看 出， 方法 二的仿真值与实验值相差很大 ， 分析其原 因可能是 仿真计算时边界条件设置不当引起 的。入 口速度和 左壁面速度在两个面的相交处由于速度的大小和方 向不 同使流场产生 了紊乱 ， 使计算不能准确地模拟 实际情况 ， 因此在侧风作用下轿 车气动特性计算 中 不建议采用这种方法。 方法一和方法三的仿真结果与实验结果并不是 完全重合 ， 这是 由于实验模型加工的原因， 使实验模 型的外形与仿真模型存在差异 ， 这样实验模 型的正 面投影面积在计算中也可能存在误差 ； 在实验过程 中， 模型的安装、 风洞风速 的测定 、 天平的测力 系统 等也可能会存在误差， 这些都会对阻力系数和侧力 系数的计算造成影响。因此 ， 实验结果与仿 真计算 结果存在一定 的差异。 在模型的前期处理 中， 方法一对于每一种横摆 角均需要建立其相对应的计算域模 型 ， 并对其进行 网格划分和边界条件的设置 ， 这样需要花费较多的 人力 、 物力和时间 ； 而方法三只需要建立一个计算域 模型并对其进行网格划分 ， 在计算过程 中修 改边界 条件设置 即可 ， 节省 了大量 的人力、 物力及时间。 4 结论 通过对侧风状态下车辆气动特性 的 3种计算方 法与风洞实验的比较分析可知 ， 方法三在模型 的前 期处理上具有省 时省力的优越性 ， 其计算仿真所得 到的结果与实验结果相 比变化趋势一致且数值相差 较小 ， 因此对于侧风作用下车辆气动特性 的仿真计 算以采用方法三为宜。 参考文献 [ 1 ] 谷正气． 汽车空气动力学 [ M] ． 北京 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] A l e x i s S c o t t o d ’ A p o l l o n ia ， S t e p h a n e C o n t i n i ． L a r g e E d d y S i m u l a - 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