不同波長(zhǎng)瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)性能影響分析

黃泰明 谷正氣 豐成杰 陳 陣

1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙,4100822.湖南理工學(xué)院,岳陽(yáng),414006 3.湖南文理學(xué)院,常德,415000

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不同波長(zhǎng)瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)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(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙,4100822.湖南理工學(xué)院,岳陽(yáng),414006 3.湖南文理學(xué)院,常德,415000

利用大渦模擬對(duì)某轎車(chē)受到的瞬態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，并采用自定義函數(shù)(UDF)控制邊界的方法實(shí)現(xiàn)了正弦側(cè)風(fēng)在時(shí)間及空間上的瞬態(tài)變化，分析了三種不同波長(zhǎng)的正弦側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響，并將結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：受到瞬態(tài)變化的正弦側(cè)風(fēng)時(shí)，氣動(dòng)力系數(shù)呈周期性變化，但氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化頻率是氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化頻率的兩倍；瞬態(tài)正弦側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)減小時(shí)，氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化范圍逐漸減??；在瞬態(tài)側(cè)風(fēng)作用下，A柱對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生了重要影響。

大渦模擬;瞬態(tài)側(cè)風(fēng);波長(zhǎng);氣動(dòng)力系數(shù)

0 引言

在實(shí)際環(huán)境中，受到氣候、周?chē)h(huán)境等因素的影響，高速行駛的汽車(chē)經(jīng)常會(huì)受到側(cè)向風(fēng)的影響，使車(chē)輛所受到的瞬態(tài)氣動(dòng)力發(fā)生急劇變化，從而引起車(chē)輛行駛特性的改變，使車(chē)輛偏離正常的行駛軌跡，甚至引發(fā)交通事故[1]。因此，為了保證行車(chē)安全, 研究瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)高速行駛車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響是非常必要的[2]。

有學(xué)者采用復(fù)雜的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)瞬態(tài)側(cè)風(fēng)的影響進(jìn)行了研究[3-4]，但利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)汽車(chē)遇到側(cè)風(fēng)的復(fù)雜工況是非常困難的。而采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法研究瞬態(tài)側(cè)風(fēng)是非常有效的，且能夠提供更多的瞬態(tài)變化信息，可對(duì)實(shí)際行駛過(guò)程中的汽車(chē)氣動(dòng)性能進(jìn)行更深入研究[5-6]。但是，傳統(tǒng)的雷諾平均模擬(RANS)方法并不適用于瞬態(tài)的分析，特別是在瞬態(tài)側(cè)風(fēng)或是復(fù)雜行駛工況下。Guilmineau[7]的研究表明,采用RANS方法模擬復(fù)雜的不穩(wěn)定流場(chǎng)并不能反映真實(shí)的流場(chǎng)，而大渦模擬(large eddy simulation，LES)方法模擬瞬態(tài)流場(chǎng)是非常有效的。Cheng等[8]采用LES方法對(duì)某轎車(chē)尾部流程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持了良好的一致性。所以本文采用LES方法對(duì)瞬態(tài)側(cè)風(fēng)進(jìn)行模擬分析。

有很多學(xué)者采用CFD方法對(duì)側(cè)風(fēng)進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[9]采用偏轉(zhuǎn)車(chē)身等形式的方法對(duì)側(cè)風(fēng)進(jìn)行了研究，但該方法無(wú)法對(duì)時(shí)變及空間同時(shí)變化的側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究，且工作量巨大[10]。文獻(xiàn)[11]采用動(dòng)網(wǎng)格的方法對(duì)側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究,由于受到計(jì)算資源等的影響，所花費(fèi)的時(shí)間非常長(zhǎng)，給研究帶來(lái)極大的困難。自然界中的側(cè)風(fēng)變化非常復(fù)雜，側(cè)風(fēng)的方向、波長(zhǎng)的變化對(duì)流場(chǎng)的影響產(chǎn)生重要影響[12]。用自定義函數(shù)(UDF)控制邊界條件實(shí)現(xiàn)側(cè)風(fēng)的模擬，它所需要的資源遠(yuǎn)低于動(dòng)網(wǎng)格及偏轉(zhuǎn)車(chē)身等方法需要的資源，能節(jié)省大量的時(shí)間，本文采用UDF控制邊界的方法實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)側(cè)風(fēng)在時(shí)間及空間上的變化，并研究了瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)流場(chǎng)及氣動(dòng)力系數(shù)的影響。

本文采用LES方法對(duì)某轎車(chē)受到幾種不同波長(zhǎng)正弦側(cè)風(fēng)的影響進(jìn)行了仿真分析，并在風(fēng)洞中進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，將穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。討論了不同波長(zhǎng)的瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)力的影響，并對(duì)車(chē)身周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了分析。

1 數(shù)值計(jì)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缫恢?。?duì)原始模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，忽略門(mén)把手、雨刮器、后視鏡支架等，并對(duì)底盤(pán)做平整化處理。 簡(jiǎn)化后的模型尺寸如下：車(chē)身長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)=1588 mm，W=643 mm，H=505 mm。

圖1 車(chē)身簡(jiǎn)化模型

1.2 計(jì)算域及邊界條件

數(shù)值仿真時(shí)采用的計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方形，大小設(shè)置如下：入口距車(chē)前端5倍車(chē)長(zhǎng)，出口距車(chē)后端7倍車(chē)長(zhǎng)，總高度為5倍車(chē)高，為了保證側(cè)風(fēng)進(jìn)入流場(chǎng)后流場(chǎng)的穩(wěn)定性，計(jì)算域兩側(cè)距車(chē)各10倍車(chē)寬(圖2)。阻塞比為0.95%，而在進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，阻塞比一般不超過(guò)5%[13]。

圖2 計(jì)算域及邊界條件

邊界條件設(shè)置如下：①主入口。Velocity-inlet邊界，風(fēng)速v=27.5 m/s。②側(cè)風(fēng)入口。采用UDF控制風(fēng)速及方向。③出口。兩個(gè)出口都采用Pressure-outlet邊界，出口處相對(duì)大氣壓力為0。④地面。Moving-wall邊界，自由滑移壁面。⑤頂面及車(chē)身表面。Wall邊界，無(wú)滑移壁面。

1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性

采用商用軟件ICEM CFD 15.0將計(jì)算域生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于車(chē)身周?chē)嬖谵D(zhuǎn)捩等復(fù)雜現(xiàn)象[14]，為了準(zhǔn)確地模擬車(chē)身周?chē)牧鲌?chǎng)，對(duì)車(chē)身周?chē)枰攸c(diǎn)關(guān)注的區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，在本文中采用了5種不同密度的網(wǎng)格(圖3)；在車(chē)身表面拉伸出平行的三棱柱網(wǎng)格，以滿(mǎn)足壁面函數(shù)的需求，精確模擬汽車(chē)表面的附面層[15]；車(chē)尾流場(chǎng)影響主要是在近1.5倍車(chē)長(zhǎng)區(qū)域[16]，故在尾部區(qū)域采用了3種不同尺寸的網(wǎng)格，以達(dá)到局部網(wǎng)格細(xì)化，更多地獲取尾部流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及附面層網(wǎng)格

為了進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，采用與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)一致的方法將車(chē)輛橫擺20°，在風(fēng)速為30 m/s的工況下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，并采用了三種不同數(shù)量的網(wǎng)格，將結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。網(wǎng)格數(shù)量方案分別為9.32×106、1.47×107和2.08×107，其第一層網(wǎng)格中心到壁面的距離y+均小于1。計(jì)算所得的阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可知方案二能在保證計(jì)算精度的條件下消耗較少的計(jì)算資源，因此，本文仿真中采用的網(wǎng)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(dòng)由不同尺度的漩渦組成，大尺度的渦旋對(duì)湍流能量和雷諾應(yīng)力的產(chǎn)生以及各種量的湍流擴(kuò)散起主要作用。大渦的行為強(qiáng)烈地依賴(lài)于邊界條件，隨流動(dòng)的類(lèi)型而異。小渦對(duì)上述職能的貢獻(xiàn)較小，最小的渦主要起耗散作用[17]。在高雷諾數(shù)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(jì)算機(jī)還不能計(jì)算到耗散尺度，但能夠小到慣性區(qū)尺度，所以可通過(guò)離散時(shí)間相關(guān)的N-S方程來(lái)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(tǒng)資源更少，但卻比一般湍流模型方法更精確。

表1 不同數(shù)量網(wǎng)格氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比

(1)

經(jīng)過(guò)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(wǎng)格運(yùn)動(dòng)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(cè)風(fēng)模型

汽車(chē)在實(shí)際行駛時(shí)受間隔的建筑物、路基或路旁的灌木叢等影響，使得汽車(chē)受到的側(cè)風(fēng)呈正弦變化或近似正弦規(guī)律變化，所以本文主要研究的側(cè)風(fēng)為正弦側(cè)風(fēng)?？紤]到自然界側(cè)風(fēng)受到環(huán)境及氣候的影響，側(cè)風(fēng)在空間及時(shí)間上是瞬變的，且側(cè)風(fēng)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(zhǎng)的側(cè)風(fēng)。正弦側(cè)風(fēng)模型表示為

u=u0sin 2π(X/λ-ft)

其中，u0為側(cè)風(fēng)的最大風(fēng)速，本文中側(cè)風(fēng)風(fēng)速最大值為10 m/s；λ為側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)，為了使所選取的波長(zhǎng)更有代表意義，在本文中取三種波長(zhǎng)分別為L(zhǎng)、2L和6L，在這三種工況中能更好地觀察車(chē)身表面壓力及周?chē)鞒?；X為計(jì)算域沿X軸方向的坐標(biāo)；f為側(cè)風(fēng)變化的頻率，由于側(cè)風(fēng)沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的速度為主入口的風(fēng)速v，所以側(cè)風(fēng)的頻率為f=v/λ。圖4為本文所模擬正弦側(cè)風(fēng)示意圖。

圖4 正弦側(cè)風(fēng)示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文湍流模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，因無(wú)法獲取受瞬態(tài)側(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故采用與其他學(xué)者相似的方法進(jìn)行驗(yàn)證[20]。在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞中進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，該風(fēng)洞高速試驗(yàn)段橫截面為矩形，長(zhǎng)17 m，寬3 m，高2.5 m，最大風(fēng)速為58 m/s，收縮比為3.2；風(fēng)洞速度場(chǎng)的不均勻性小于1%，占截面積的76%以上。其中氣動(dòng)阻力測(cè)試采用六分量浮框式應(yīng)變汽車(chē)專(zhuān)用天平。為了保證準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)采用了1∶3的比例模型，與仿真模型一致，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6為橫擺角為20°時(shí)Y=0截面速度云圖及流線圖，在圖6a中可以發(fā)現(xiàn)車(chē)輛縱對(duì)稱(chēng)面尾部存在一個(gè)自由滯止點(diǎn)的渦A。圖6b所示為采用LES模擬穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，自由滯止點(diǎn)渦A的形狀也基本一致，但與粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry,PIV)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的渦的大小、位置有一定的差異；實(shí)驗(yàn)時(shí)渦A要比仿真時(shí)稍大，仿真時(shí)渦A在水平方向上離車(chē)身更近，而在實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境與數(shù)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(shí)驗(yàn)

(b)數(shù)值模擬圖6 縱對(duì)稱(chēng)面速度云圖及流線圖

2.2 不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響

本文主要對(duì)3種不同波長(zhǎng)下的瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd、氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)Csd及氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)Cm的影響進(jìn)行分析。采用大渦模擬時(shí)每步的計(jì)算氣動(dòng)力系數(shù)及流場(chǎng)結(jié)果都被保存，如圖7～圖10所示。

圖7 氣動(dòng)阻力、側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)曲線(λ=L)

圖9 氣動(dòng)阻力、側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)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(cè)風(fēng)為時(shí)間及空間瞬變側(cè)風(fēng)，無(wú)法按常規(guī)的穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)方式確定合成側(cè)風(fēng)的方向，即無(wú)法確定車(chē)輛橫擺角θ，故指定在車(chē)輛最前點(diǎn)O點(diǎn)處(圖4)的正上方4倍車(chē)高處的Y方向風(fēng)速(側(cè)風(fēng)風(fēng)速)與X方向風(fēng)速(主入口風(fēng)速)合成的角度為車(chē)輛橫擺角，則本文中車(chē)輛橫擺角θ的范圍為-20°～20°。

從圖7～圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)風(fēng)在時(shí)間和空間上發(fā)生周期性變化，汽車(chē)上所受到的氣動(dòng)力系數(shù)也發(fā)生周期性變化。側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致車(chē)輛所受到的氣動(dòng)力系數(shù)變化的周期也明顯不同，側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)越小，氣動(dòng)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化的周期越短。還可以發(fā)現(xiàn)，隨著正弦側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)發(fā)生變化，汽車(chē)所受到的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)以及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的變化幅度發(fā)生明顯的變化，正弦側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，氣動(dòng)側(cè)力以及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化幅值越大，而氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化幅值相對(duì)要小一些。

從圖10可以發(fā)現(xiàn)車(chē)身受到波長(zhǎng)λ分別為L(zhǎng)、2L和6L三種不同正弦側(cè)風(fēng)作用時(shí)，計(jì)算域內(nèi)Y方向速度場(chǎng)也呈現(xiàn)出正弦分布。在車(chē)身兩側(cè)及尾部流場(chǎng)由于受到車(chē)身周?chē)鷼饬鬟t滯效應(yīng)的影響[21]，車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)Y方向的速度分布出現(xiàn)不規(guī)律變化；離尾部較遠(yuǎn)處的網(wǎng)格沒(méi)有加密，導(dǎo)致速度呈正弦分布的趨勢(shì)減弱。

圖11～圖13所示為按橫擺角變化的單周期內(nèi)氣動(dòng)力系數(shù)的變化跡線，即將圖7中的氣動(dòng)力系數(shù)曲線用車(chē)輛位置變化表示?？梢园l(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)模擬下，氣動(dòng)力系數(shù)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(tài)正弦側(cè)風(fēng)作用下變化趨勢(shì)完全不同。從圖11～圖13可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬的氣動(dòng)阻力、側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相差很小，最大誤差不超過(guò)6%，變化趨勢(shì)也基本一致，驗(yàn)證了該湍流模型數(shù)值計(jì)算的可靠性。

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實(shí)驗(yàn) 5.穩(wěn)態(tài)仿真圖11 氣動(dòng)阻力系數(shù)變化跡線

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實(shí)驗(yàn) 5.穩(wěn)態(tài)仿真圖12 氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)變化跡線

1.λ=L 2.λ=2L 3.λ=6L 4.實(shí)驗(yàn) 5.穩(wěn)態(tài)仿真圖13 橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化跡線

2.2.1 不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)阻力的影響

圖11中氣動(dòng)阻力系數(shù)的跡線呈現(xiàn)“蝴蝶結(jié)”形，可以發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化頻率是側(cè)風(fēng)變化頻率的兩倍；還可以發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)的逐漸減小，氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化逐漸變小，波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)，最大、最小氣動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.339和0.284，變化幅度為0.055；波長(zhǎng)為6L時(shí)，最大、最小氣動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.353和0.282，變化幅度為0.071，波長(zhǎng)為6L時(shí)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化幅值比波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化幅值增大約30%。在穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)最大、最小氣動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.3657和0.2847，變化幅值為0.081，穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)氣動(dòng)阻力系數(shù)變化幅值比波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化幅值增大約47%。隨著側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)的逐漸減小，側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)逐漸接近于車(chē)長(zhǎng)，氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化范圍也越來(lái)越小。

對(duì)氣動(dòng)阻力產(chǎn)生影響的一個(gè)重要因素是尾渦結(jié)構(gòu)[22]，而從圖14～圖16可以明顯發(fā)現(xiàn)：在不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)影響下尾渦的位置及形狀完全不同。這主要是因?yàn)閭?cè)風(fēng)的波長(zhǎng)越小，在車(chē)長(zhǎng)范圍內(nèi)氣流的速度及方向變化越快，從而導(dǎo)致尾部氣流在分離時(shí)就被迅速變化的氣流所影響，故在圖14中無(wú)法觀察到明顯的渦系結(jié)構(gòu)；在圖15和圖16中由于側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致車(chē)身周?chē)鷼饬髯兓俣认鄬?duì)較慢，對(duì)尾部氣流的分離干涉較小，也就可以觀測(cè)到明顯的渦系結(jié)構(gòu)。

圖14 橫擺角為20°時(shí)Y=0截面尾部的流線圖(λ=L)

圖15 橫擺角為20°時(shí)Y=0截面尾部的流線圖(λ=2L)

圖16 橫擺角為20°時(shí)Y=0截面尾部的流線圖(λ=6L)

2.2.2 不同波長(zhǎng)正弦側(cè)風(fēng)對(duì)氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩的影響

從圖12、圖13可以發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化跡線近似于橢圓形，且呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，表示氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的變化頻率與正弦側(cè)風(fēng)的變化頻率一致。橢圓形跡線的寬度反映出在不同波長(zhǎng)下氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的相位的變化，從圖12、圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著波長(zhǎng)的減小，氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的相位變化更明顯。

(a)無(wú)側(cè)風(fēng)

(b)有側(cè)風(fēng)狀態(tài)(0.8 s時(shí))

(c)有側(cè)風(fēng)狀態(tài)(0.82 s時(shí))圖17 側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)λ=L時(shí)車(chē)身表面的壓力分布

側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)變化引起氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)相位明顯變化的主要原因是車(chē)身表面所受到Y(jié)向壓力的變化。從圖10可以發(fā)現(xiàn)：在不同的波長(zhǎng)情況下，車(chē)身周?chē)腨向速度變化很大，從而對(duì)車(chē)身表面的壓力分布產(chǎn)生重要的影響；波長(zhǎng)越短，車(chē)身表面沿X方向的壓力呈現(xiàn)出正負(fù)分布的趨勢(shì)，從而對(duì)車(chē)身所受到的橫擺氣動(dòng)力矩變化產(chǎn)生重要影響。圖17所示為側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)λ=L時(shí)車(chē)身表面的壓力分布。可以看出：側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)，在不同的時(shí)刻車(chē)身兩側(cè)表面的壓力分布明顯不同，且在圖17b與圖17c中車(chē)身所處的側(cè)風(fēng)剛好相差1/4個(gè)相位，車(chē)身左右兩側(cè)沿X方向正負(fù)壓區(qū)的位置也明顯間隔一段距離，且受瞬態(tài)側(cè)風(fēng)在不同時(shí)刻與不受側(cè)風(fēng)時(shí)車(chē)身表面的壓力分布也存在區(qū)別明顯。同理，其他時(shí)刻及不同波長(zhǎng)的正弦側(cè)風(fēng)在車(chē)身兩側(cè)表面的壓力也會(huì)存在相似的變化規(guī)律。

從圖12可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)增加到6L時(shí)，氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)的跡線所形成的橢圓形的寬度非常小，變化趨勢(shì)與穩(wěn)態(tài)模擬及實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果非常相似;當(dāng)側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)為2L及L時(shí)，氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)與穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果存在明顯的區(qū)別。

從圖13可發(fā)現(xiàn)：橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化趨勢(shì)與氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)的變化趨勢(shì)相似，隨著側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)的增大，橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的相移變小，當(dāng)側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)，橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的跡線近似于圓形。而橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)的跡線與氣動(dòng)阻力及側(cè)力系數(shù)跡線存在的最大區(qū)別是：側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)越小時(shí)，橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)跡線的對(duì)稱(chēng)軸接近于水平，而氣動(dòng)阻力及側(cè)力系數(shù)跡線的對(duì)稱(chēng)軸并不存在此現(xiàn)象。這也說(shuō)明在瞬態(tài)正弦側(cè)風(fēng)作用下，側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)接近車(chē)長(zhǎng)時(shí)，車(chē)輛橫擺角對(duì)橫擺氣動(dòng)力矩的影響比車(chē)輛橫擺角對(duì)氣動(dòng)側(cè)力的影響要小一些。

波長(zhǎng)不同時(shí)車(chē)身周?chē)臏u量見(jiàn)圖18?？梢园l(fā)現(xiàn)：在不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)作用下，車(chē)身周?chē)臏u量圖有明顯的不同，這說(shuō)明車(chē)身周?chē)臍饬鞣蛛x及流動(dòng)狀態(tài)明顯不同，對(duì)車(chē)身表面壓力及橫擺氣動(dòng)力矩產(chǎn)生影響；特別是A柱所形成的拖拽渦在不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)作用下長(zhǎng)度明顯不同，拖拽渦越長(zhǎng)影響越大[23]；波長(zhǎng)為6L時(shí)，A柱所形成的拖拽渦對(duì)后風(fēng)擋及行李箱蓋上的氣流也產(chǎn)生了影響，而在波長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)拖拽渦只是到車(chē)頂部，這說(shuō)明在不同波長(zhǎng)的側(cè)風(fēng)作用下A柱對(duì)氣動(dòng)性能也產(chǎn)生了重要影響。

(a)λ=L

(b)λ=6L圖18 波長(zhǎng)不同時(shí)車(chē)身周?chē)臏u量圖

3 結(jié)論

(1)受到空間及時(shí)間變化的瞬態(tài)正弦側(cè)風(fēng)時(shí)，氣動(dòng)阻力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)都呈現(xiàn)周期性變化；氣動(dòng)阻力系數(shù)周期性變化的頻率是正弦側(cè)風(fēng)變化的2倍，而氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)變化的頻率與正弦側(cè)風(fēng)變化的頻率基本一致。

(2)受到瞬態(tài)正弦側(cè)風(fēng)時(shí)，正弦側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)越大，氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)跡線趨勢(shì)與穩(wěn)態(tài)模擬及實(shí)驗(yàn)的變化趨勢(shì)相似；波長(zhǎng)越小，差別越大。

(3)受到不同波長(zhǎng)的正弦側(cè)風(fēng)作用時(shí)，側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)對(duì)氣動(dòng)側(cè)力及橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)相位變化產(chǎn)生重要影響，側(cè)風(fēng)的波長(zhǎng)與車(chē)長(zhǎng)相近時(shí)相位變化很大。

(4)在側(cè)風(fēng)作用下A柱對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生重要影響，側(cè)風(fēng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，A柱所產(chǎn)生的影響越大。

[1] 谷正氣. 汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[2] Fuller J, Matt B, Nikhil G, et al. The Importance of Unsteady Aerodynamics to Road Vehicle Dynamics [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2013, 117(6):1-10.

[3] Dominy R G, Ryan A. An Improved Wind Tunnel Configuration for the Investigation of Aerodynamic Cross Wind Gust Response [J]. SAE Paper, 1999-01-0808.

[4] Raffaele V, Ferrand V, Arthur D, et al. Forces and Flow Structures Evolution on a Car Body in a Sudden Crosswind[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2014, 128(5):114-125.

[5] Wang Bin, Xu Youlin. Safety Analysis of a Road Vehicle Passing by a Bridge Tower under Crosswinds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2015, 137(137):25-36.

[6] Hrvoje K, Kyle B, Ahsan K.Transient Cross-wind Aerodynamic Loads on a Generic Vehicle due to Bora Gusts [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2012, 111(12):73-84.

[7] Guilmineau E. Computational Study of Flow around a Simplified Car Body [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6/7): 1207-1217.

[8] Cheng S Y, Tsubokura M, Okada Y, et al. Aerodynamic Stability of Road Vehicles in Dynamic Pitching Motion[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2013, 122(11): 146-156.

[9] Emmanuel G，F(xiàn)rancis C.Numerical and Experimental Analysis of Unsteady Separated Flow behind an Oscillating Car Model [J]. SAE Paper,2008-01-0738.

[10] 龔旭, 谷正氣, 李振磊,等.側(cè)風(fēng)狀態(tài)下轎車(chē)氣動(dòng)特性數(shù)值模擬方法的研究 [J].汽車(chē)工程，2010,32(1):13-16. Gong Xu,Gu Zhengqi,Li Zhenlei,et al.A Study on the Numerical Simulation of Car Aerodynamic Characteristics under Crosswind Conditions[J].Automotive Engineering,2010, 32(1):13-16.

[11] 王夫亮, 胡興軍, 楊博,等.側(cè)風(fēng)對(duì)轎車(chē)氣動(dòng)特性影響的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬對(duì)比研究[J].汽車(chē)工程, 2010,32(6):477-481. Wang Fuliang, Hu Xingjun, Yang Bo, et al. A Study on the Comparison between Steady and Dynamic Numerical Simulations of the Crosswind Effects on Car Aerodynamic Characteristics [J]. Automotive Engineering, 2010, 32(6):477-481.

[12] Carsten P, Zhang X. Influence of Uncertainties on Crosswind Stability of Vehicles[J].Procedia IUTAM, 2015, 13: 98-107.

[13] Cheng S Y, Tsubokura M, Nakashima T, et al. Numerical Quantification of Aerodynamic Damping on Pitching of Vehicle-inspired Bluff Body[J].Journal of Fluids and Structures, 2012, 30(4): 188-204.

[14] 谷正氣，陳陣，黃泰明,等.基于改進(jìn)LRNk-?模型的汽車(chē)氣動(dòng)特性研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2015,26(18):2550-2555. Gu Zhengqi，Chen Zhen, Huang Taiming, et al. Research on the Aerodynamic Characteristics of the Vehicle with an Improved LRNk-? Turbulence Model[J].China Mechanical Engineering, 2015, 26(18): 2550-2555.

[15] 楊易, 徐永康, 聶云,等.非定常來(lái)流對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)升力瞬態(tài)特性的影響[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2014,25(12):1681-1686. Yang Yi, Xu Yongkang, Nie Yun, et al.Effects of Unsteady Stream on Transient Characteristic of Automotive Aerodynamic Lift[J].China Mechanical Engineering, 2014,25(12): 1681-1686.

[16] Tsubokura M, Andrew K, Keiji O, et al.Vehicle Aerodynamics Simulation for the Next Generation on the K Computer: Part 1 Development of the Framework for Fully Unstructured Grids Using up to 10 Billion Numerical Elements [J]. SAE Paper, 2014-01-0621.

[17] 汪怡平,王文龍,楊雪,等.超低馬赫數(shù)空腔流誘發(fā)自激振蕩數(shù)值模擬[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2015,28(7): 121-126. Wang Yiping, Wang Wenlong, Yang Xue, et al. Numerical Simulation for Self-oscillation Evoked by Cavity Flow at Ultra Low Mach Numbers [J]. China Journal of Highway and Transportation, 2015, 28(7):121-126.[18] Zhu Zhiwen.LES Prediction of Aerodynamics and Coherence Analysis of Fluctuating Pressure on Box Girders of Long-span Bridges [J]. Computers & Fluids, 2015, 110(30):169-180.

[19] Mo H M, Hong H P, Fan F. Estimating the Extreme Wind Speed for Regions in China Using Surface Wind Observations and Reanalysis Data Long-span Bridges Subjected to Crosswind[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 143(8):19-33.

[20] Ikeda J, Tsubokura M, Nakae Y,et al.A Numerical Analysis of Unsteady Aerodynamics of Road Vehicle during Lane-change Maneuvering[C]//ASME 2013 Fluids Engineering Division Summer Meeting. Lake Tahoe, 2013: V01CT19A004:1-10.

[21] Mehrdad R, Ahmadreza K.Numerical Analysis of Airflow around a Passenger Train Entering the Tunnel [J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2015, 45(45):203-213.

[22] Krajnovic S L, Davidson L. Flow around a Simplified Car, Part 2: Understanding the Flow [J]. Journal of Fluids Engineering, 2005, 127(5): 919-928.

[23] Bruneaua C H, Creusé E, Gilliéronc P, et al. Effect of the Vortex Dynamics on the Drag Coefficient of a Square Back Ahmed Body: Application to the Flow Control[J]. European Journal of Mechanics—B/Fluids, 2014, 45(5): 1-11.

(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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA041805)；中央財(cái)政支持地方高校專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(0420036017)；湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(734215002); 長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃資助重點(diǎn)項(xiàng)目(K1501011-11)

U469

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

黃泰明,男,1982年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生，湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)槠?chē)車(chē)身與空氣動(dòng)力學(xué)、整車(chē)性能分析與優(yōu)化。谷正氣,男,1963年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師,湖南文理學(xué)院教授。豐成杰,男,1991年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。陳 陣,男,1988年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。