階背式轎車模型尾流場仿真研究*

吳德久，胡興軍，楊 博

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

前言

汽車流場的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真在新車的研發(fā)過程中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究中氣動(dòng)阻力的仿真誤差已經(jīng)減小到2%［1］。CFD軟件中常用表面積分的方法獲得較為精確的氣動(dòng)力仿真值，然而這種方法可能會使一些面網(wǎng)格上的壓力仿真值誤差相抵消，因此不能僅以氣動(dòng)阻力值來衡量仿真精度。文獻(xiàn)［2］中研究發(fā)現(xiàn)，大約50%的氣動(dòng)阻力來自階背式轎車的尾部。因此，表面壓力和局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的高精度仿真是提高整車外流場仿真精度的關(guān)鍵。

比較文獻(xiàn)［3］～文獻(xiàn)［5］對Ford參考模型的研究，發(fā)現(xiàn)在表面壓力系數(shù)和模型尾部表面流動(dòng)顯示方面，文獻(xiàn)［3］與文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］的研究結(jié)果有一些差異。因此，更進(jìn)一步地研究參考模型的尾流場是很必要的。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，本文中利用Ansys Fluent CFD軟件對Ford C1階背式轎車模型尾流場進(jìn)行不同工況下仿真分析。

1 計(jì)算設(shè)置

1.1 Ford C1模型和計(jì)算域

文獻(xiàn)［3］中選用的是16%比例Ford C1模型，在美國國家航空航天局蘭利基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)研究風(fēng)洞(BART)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］中使用的是50%比例Ford C1模型，在洛克希德低速風(fēng)洞(Lockheed)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。由于BART實(shí)驗(yàn)部分提供了比較完整的計(jì)算域尺寸和流體參數(shù)，所以本文中參照BART實(shí)驗(yàn)建立仿真的計(jì)算域。根據(jù)BART實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)測量得到的自由流速度為U∞=51.7m/s，湍流強(qiáng)度是0.09%。在BART實(shí)驗(yàn)部分有一個(gè)凸起的地板，地板的高度為60mm、寬度為914mm，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段的高度為711mm、寬度為1 016mm、長度為7 136mm，如圖1所示。為了研究凸起的地板對實(shí)驗(yàn)段的影響，另一個(gè)計(jì)算域沒有凸起的地板。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

整車和4個(gè)翼型支撐的三角形面網(wǎng)格數(shù)量大約為17.4萬，網(wǎng)格大小為3～5mm。通過改變模型車表面邊界層的首層高度，在CFD軟件求解收斂后可以獲得不同的無量綱數(shù)y+，在本文中研究不同的y+值對近壁面流場的影響。壁面的y+值范圍分為:y+＜5的黏性底層，30＜y+＜150的對數(shù)層，5＜y+＜30的過渡層。為實(shí)現(xiàn)上面不同的y+范圍，設(shè)置3種不同的邊界層首層高度和相應(yīng)的增長比，網(wǎng)格生成參數(shù)如表1所示，網(wǎng)格1截面如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)大約1 000萬。

表1 近壁面網(wǎng)格生成參數(shù)

1.3 湍流模型

在Ansys Fluent中有兩種近壁面處理方法，分別是壁面函數(shù)法和近壁面模型法。本文中網(wǎng)格2和網(wǎng)格3選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法;網(wǎng)格1選用改進(jìn)的壁面函數(shù)法，它的y+值在黏性底層范圍內(nèi)。主要應(yīng)用kω SST和雷諾應(yīng)力湍流模型來模擬流場，在k-ω SST模型中應(yīng)用低雷諾數(shù)校正。由于一個(gè)算例使用雷諾應(yīng)力湍流模型不穩(wěn)定，所以使用Realizable k-epsilon湍流模型來代替，計(jì)算域、網(wǎng)格特征、近壁面處理方式和湍流模型的設(shè)置如表2所示。

表2 計(jì)算域、網(wǎng)格特征、近壁面處理方式和湍流模型的設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 表面壓力場和流動(dòng)顯示

車頂中心線位置的壓力系數(shù)Cp仿真與實(shí)驗(yàn)的對比如圖3所示，在橫坐標(biāo)中Xm/L=0表示模型車的中點(diǎn)，Xm表示水平方向距離中點(diǎn)的長度，L表示模型長度，正負(fù)號分別表示模型的后部和前部;BART的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算域1的仿真結(jié)果有較好的一致性，計(jì)算域2的仿真結(jié)果與Lockheed的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較好的一致性。BART和Lockheed實(shí)驗(yàn)的Cp結(jié)果的差異很可能是由于BART實(shí)驗(yàn)中使用凸起的地板。在所有算例中，選用k-ω SST湍流模型的網(wǎng)格1(y+＜5)的Cp仿真精度最高，然而網(wǎng)格3(30＜y+＜150)的轎車后備箱表面上Cp的誤差較大。

圖4為CFD仿真結(jié)果與表面流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)的對比。由圖可見:在BART實(shí)驗(yàn)［3］的流動(dòng)顯示圖中后備箱蓋的中心線上出現(xiàn)鞍點(diǎn)(圖4(a))，然而在Lockheed實(shí)驗(yàn)［4］中有兩個(gè)額外的鞍點(diǎn)出現(xiàn)在后備箱蓋中心線兩側(cè)(圖4(c));CFD仿真結(jié)果也存在位置不穩(wěn)定的鞍點(diǎn)，但是在模擬BART實(shí)驗(yàn)的計(jì)算域1中出現(xiàn)3個(gè)鞍點(diǎn)和兩個(gè)點(diǎn)源(圖4(b))，然而在模擬沒有凸起地板的計(jì)算域2中只出現(xiàn)一個(gè)鞍點(diǎn)(圖4(d))。

2.2 邊界層流動(dòng)狀況

CFD仿真和BART實(shí)驗(yàn)車頂邊界層速度分布如圖5所示，該速度分布圖(U/Ue，Zroof/δ0.995)可以反映湍流邊界層的發(fā)展?fàn)顩r，Zroof表示邊界層內(nèi)某點(diǎn)距離車頂?shù)拇怪备叨?，?.995表示該點(diǎn)邊界層的垂直厚度，其中U表示邊界層內(nèi)該點(diǎn)水平速度分量，Ue表示該點(diǎn)邊界層外邊界的水平速度分量;Xm/L=0.034位置的仿真值和BART實(shí)驗(yàn)值一致性較好，Xm/L=0.154位置二者略有差距?？傮w上CFD的仿真結(jié)果較為真實(shí)地體現(xiàn)了邊界層的發(fā)展?fàn)顩r。

車頂后沿流場的分離區(qū)速度分布如圖6所示，Zunderbody表示車頂后沿某點(diǎn)到車底的垂直高度，H=194mm表示車頂?shù)杰嚨椎拇怪备叨?，Xm/L從0.284到0.294區(qū)間，U/U∞從正值變到負(fù)值，這表明Xm/L在0.284～0.294之間邊界層出現(xiàn)逆流，進(jìn)而產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象，分離區(qū)起始位置大致在Xm/L=0.288附近，這與BART實(shí)驗(yàn)的分離區(qū)起始位置［3］相同。

2.3 尾流場結(jié)構(gòu)

經(jīng)過車頂中心線的氣流在車頂后沿分離并在汽車尾部下降但沒有附著在后備箱蓋上，且剪切層的運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成曲線，如圖7所示。CFD的仿真結(jié)果與BART實(shí)驗(yàn)結(jié)果［3］類似，并沒有垂直于中心面的橫向渦。中心面兩側(cè)的氣流和經(jīng)過A立柱氣流在行李箱蓋上附著形成兩個(gè)點(diǎn)源，如圖4(b)，以右側(cè)的點(diǎn)源為例，氣流出現(xiàn)回流使橫向渦的軸線不再垂直于中心面，左右兩側(cè)橫向渦的軸線形成一個(gè)“V”字形，如圖8所示?？赡苡捎跈M向渦的不穩(wěn)定性，計(jì)算域1中經(jīng)過A立柱的部分氣流匯集到橫向渦，而計(jì)算域2經(jīng)過A立柱的氣流沒有匯集到橫向渦。仿真中行李箱蓋上的流場結(jié)構(gòu)不同于典型的階背式轎車的尾流場結(jié)構(gòu)［6］，如圖9所示。

2.4 氣動(dòng)阻力系數(shù)分析

在CFD仿真中兩種計(jì)算域的氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd如表3所示，計(jì)算域1的Cd值較計(jì)算域2高，主要因?yàn)橛?jì)算域1中有凸起的地板;Lockheed實(shí)驗(yàn)的Cd=0.161，計(jì)算域2網(wǎng)格1的k-ω SST湍流模型的Cd高于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)Cd，RKE(Enhanced)湍流模型的Cd更接近實(shí)驗(yàn)值。

表3 氣動(dòng)阻力系數(shù)對比

3 結(jié)論

選用 k-ω SST、Realizable k-ε 和 RSM 湍流模型模擬16%比例的Ford C1階背式轎車模型的尾流場，得出如下結(jié)論。

(1)網(wǎng)格1(y+＜5)黏性底層k-ω SST湍流模型的近壁面網(wǎng)格的壓力系數(shù)與兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)有較好的一致性;網(wǎng)格3(30＜y+＜150)對數(shù)層k-ω SST湍流模型的壓力系數(shù)誤差比較大。

(2)CFD表面流動(dòng)顯示結(jié)果與兩個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)顯示結(jié)果有些差異，在計(jì)算域1的仿真結(jié)果中有3個(gè)鞍點(diǎn)和兩個(gè)點(diǎn)源，但是在BART風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只有一個(gè)鞍點(diǎn);恰恰相反，在計(jì)算域2的仿真結(jié)果中顯示一個(gè)鞍點(diǎn)，而在Lockheed的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中有3個(gè)鞍點(diǎn)。

(3)在后備箱蓋上有兩個(gè)傾斜對稱的渦旋，由于這兩個(gè)關(guān)于中心面對稱的強(qiáng)逆流區(qū)，使得從車頂后沿分離的氣流不能在后備箱蓋上附著而流到車的尾部。

(4)帶凸起底板的計(jì)算域1的氣動(dòng)阻力系數(shù)較計(jì)算域2的高，計(jì)算域2網(wǎng)格1 RKE(Enhanced)湍流模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)更接近實(shí)驗(yàn)值。

［1］ Mayer W，Wickern G．The New Audi A6/A7 Family-Aerodynamic Development of Different Body Types on One Platform［C］．SAE Paper 2011－01－0175．

［2］ Carr G W．Potential for Aerodynamic Drag Reduction in Car Design［J］．International Journal of Vehicle Design，1983，Special Publication SP3:44－56．

［3］ Jenkins L N．An Experimental Investigation of the Flow Over the Rear End of a Notchback Automobile Configuration［C］．SAE Paper 2000－01－0489．

［4］ Williams J，Quinlan W J，Hackett J E，et al．A Calibration Study of CFD for Automotive Shapes and CD［C］．SAE Paper 940323．

［5］ Hajiloo A，Williams J，Hackett J E，et al．Limitied Mesh Refinement Study of the Aerodynamic Flow Field Around a Car-Like Shape:Computational Versus Experimental Fluid Dynamics［C］．SAE Paper 960677．

［6］ Carr G W．Influence of Rear Body Shape on the Aerodynamic Characteristics of Saloon Cars［R］．MIRA Report，1974．