袁志群,谷正氣,楊明智,彭 倩,劉顯貴

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院,廈門 361024; 2.中南大學,軌道交通安全教育部重點實驗室,長沙 410075; 3.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門 361024; 4.湖南大學,汽車車身先進制造國家重點實驗室,長沙 410082)

底部結(jié)構(gòu)對轎車側(cè)風氣動特性的影響分析*

袁志群1,2,3,谷正氣4,楊明智2,彭 倩1,3,劉顯貴1,3

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院,廈門 361024; 2.中南大學,軌道交通安全教育部重點實驗室,長沙 410075; 3.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,廈門 361024; 4.湖南大學,汽車車身先進制造國家重點實驗室,長沙 410082)

應(yīng)用計算流體動力學方法分別對帶光滑底部和真實底部結(jié)構(gòu)的某轎車進行側(cè)風氣動特性對比分析。結(jié)果表明:汽車底部結(jié)構(gòu)對氣動力影響顯著,與光滑底部相比,實際底部結(jié)構(gòu)使尾渦擴散區(qū)增大,車底流速減小,導致氣動力增加;加裝車底阻流板能改善側(cè)風狀態(tài)下汽車的底部、尾部和背風側(cè)的流場結(jié)構(gòu),降低整車氣動力,特別是氣動升力。模型風洞試驗驗證了所采用數(shù)值分析方法的可靠性。本研究對指導汽車底部結(jié)構(gòu)設(shè)計和側(cè)風穩(wěn)定性分析具有較好的參考價值。

轎車;底部結(jié)構(gòu);側(cè)風;氣動特性;氣動力;尾渦結(jié)構(gòu);車底阻流板

前言

截止2014年底,我國高速公路通車總里程達到11.2萬km,位居世界首位,高速公路給人們帶來便捷的同時,也引發(fā)了更多的交通事故[1],我國交通事故呈逐年上升趨勢。影響交通事故的因素眾多,其中不可忽視的因素是風。汽車在行駛過程中經(jīng)常會受到側(cè)向風的干擾(既有自然風也有環(huán)境風),因此,氣動力和氣動力矩會瞬間發(fā)生變化,導致汽車偏離原來的行駛軌跡,不僅增加了駕駛員的駕駛疲勞,而且汽車有可能發(fā)生側(cè)翻,國內(nèi)外已報道多起由于側(cè)風而引起的翻車事故,因此汽車側(cè)風穩(wěn)定性研究受到越來越多的關(guān)注。

國內(nèi)外相關(guān)學者對側(cè)風工況下的汽車進行了大量的分析與研究,總結(jié)了許多寶貴的經(jīng)驗。文獻[2]中分析了前窗傾角對側(cè)風氣動特性的影響規(guī)律,認為前窗傾角為35°時,行駛穩(wěn)定性最好;文獻[3]中指出側(cè)風對直背式轎車氣動力影響顯著,隨著風速的升高氣動力會顯著增加;文獻[4]中利用流固耦合的方法對客車在不同側(cè)風工況下的氣動特性進行了研究,結(jié)果表明,流固耦合效應(yīng)對升力和俯仰力矩影響顯著;文獻[5]中比較了動態(tài)和穩(wěn)態(tài)計算方法在氣動力和流場計算方面的優(yōu)劣;文獻[6]中比較了3種不同的側(cè)風計算方法,并與風洞試驗結(jié)果進行對比;文獻[7]和文獻[8]中分別對簡單的類汽車形體在受到瞬態(tài)風影響時的氣動力和流場結(jié)構(gòu)進行了研究;文獻[9]中利用大渦模擬的方法研究了汽車在受到瞬態(tài)風影響時氣動力和流場的變化;文獻[10]和文獻[11]中通過建立橋-車-路耦合系統(tǒng),研究了汽車在運行過程中受到側(cè)風干擾時流場和氣動力的變化規(guī)律,及其對汽車行駛穩(wěn)定性的影響。

從目前國內(nèi)外研究動態(tài)來看,國內(nèi)學者主要研究汽車在穩(wěn)態(tài)側(cè)風作用下的氣動力變化規(guī)律,研究對象更接近汽車實際形狀。而國外學者主要研究汽車在瞬態(tài)側(cè)風作用下的氣動力和流場變化規(guī)律,更注重機理研究,因此大多數(shù)研究對象為簡單的類汽車形體。但目前國內(nèi)外研究對象的車底都簡化成平面,忽略了汽車底部結(jié)構(gòu),與實際情況有很大差別,而底部結(jié)構(gòu)對汽車在無側(cè)風狀態(tài)下運行時的氣動特性影響較大[12]。但目前關(guān)于汽車底部結(jié)構(gòu)對汽車在側(cè)風狀態(tài)下運行時的氣動特性的影響尚無定論,因此,在研究汽車側(cè)風穩(wěn)定性時不能簡單地對汽車底部做平面處理,有必要對其進行分析。本文中在文獻[6]研究的基礎(chǔ)上建立了汽車底部真實結(jié)構(gòu)模型,通過對比簡化底部模型,分析了該模型在穩(wěn)態(tài)側(cè)風作用下氣動力和流場結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律和機理,并提出了相應(yīng)的改進措施,為汽車底部結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究汽車側(cè)風穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。

1 計算模型建立

利用UG建立了汽車底部詳細結(jié)構(gòu),包括傳動系統(tǒng)、懸架、備胎、油箱和地板。由于底部結(jié)構(gòu)復雜,因此在ICEM-CFD中利用OCTREE方法對計算域進行離散,并在車身表面拉伸出多層棱柱網(wǎng)格,滿足壁面函數(shù)和邊界層的計算需求,對流動分離區(qū)域網(wǎng)格進行細化。

汽車外流場屬于三維不可壓縮、等溫和定常流場,流動分離區(qū)多,因此必須根據(jù)實際情況設(shè)定邊界條件。計算分析在FLUENT軟件中完成,采用業(yè)界認可度較高的realizable k-ε湍流模型[12-13],應(yīng)用標準壁面函數(shù)求解附面層,計算采用2階迎風格式和SIMPLE算法,其它邊界條件的設(shè)置見表1。

表1 邊界條件設(shè)置

模型側(cè)風計算采用穩(wěn)態(tài)方法[6],汽車固定不動,用遠方來流速度v的兩個坐標分量分別模擬汽車的運動速度vx和側(cè)風速度vy。計算域和側(cè)風定義如圖1所示。

圖1 側(cè)風計算方法示意圖

表2 不同網(wǎng)格劃分方案結(jié)果對比

為驗證網(wǎng)格劃分的合理性,對簡化底部模型采用4種不同的網(wǎng)格劃分方案,計算結(jié)果如表2所示。方案1和方案2面網(wǎng)格和體網(wǎng)格不夠精細,因此相對方案3和方案4誤差較大,方案3和方案4結(jié)果接近,但方案4計算時間較長。權(quán)衡計算精度和時間后選定方案3,得到的復雜底部計算模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算模型網(wǎng)格

2 計算方法驗證

計算模型的精確度受到網(wǎng)格劃分、邊界條件、湍流模型和壁面函數(shù)等諸多因素的限制,不同的方案計算結(jié)果差異較大[14-15],為驗證計算模型的可靠性,對簡化底部模型進行了風洞試驗,如圖3所示。該模型比例為1∶4,當風速達到30m/s時,以軸距為特征長度的雷諾數(shù)為1.2127×106,滿足雷諾相似準則。數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表3所示,計算誤差在10%以內(nèi),對氣動阻力計算比較準確。

圖3 模型風洞試驗

表3 氣動力結(jié)果對比

縱對稱面尾部流場結(jié)果對比如圖4所示,流場測量采用PIV測試系統(tǒng),由于受場地和設(shè)備的限制,試驗結(jié)果只捕捉到上半部。由圖可見,本文中計算模型建立方法對渦的形態(tài)和位置預(yù)測較準確,雖然局部點速度的數(shù)值計算與風洞試驗結(jié)果存在一定差別,這與試驗?zāi)Ｐ驮谥谱?、安裝和測量等方面的誤差有關(guān),但總體上達到工程允許要求,驗證了本文數(shù)值計算建模方法的可靠性。

圖4 尾渦計算與試驗結(jié)果對比

3 結(jié)果分析與討論

通過對比真實底部與簡化底部汽車模型在氣動力、底部流場和尾部流場的差異,分析和總結(jié)底部結(jié)構(gòu)對側(cè)風氣動特性的影響規(guī)律和機理。

表4 底部結(jié)構(gòu)對氣動力影響對比

3.1 氣動力和流場對比分析

底部結(jié)構(gòu)對氣動力影響對比見表4。由表可知,底部結(jié)構(gòu)對氣動升力影響最大,而對氣動側(cè)力影響最小。氣動力的變化會導致氣動力矩和風壓中心位置的改變,因此在研究汽車側(cè)風穩(wěn)定性時,必須要考慮汽車底部結(jié)構(gòu)引起的氣動特性變化對橫擺、側(cè)滑和側(cè)傾的影響。

為揭示氣動力增大的原因,分別從底部和尾部流態(tài)著手分析。圖5為底部和尾部三維流線圖。由圖可見,底部結(jié)構(gòu)對車底和車尾流場影響較大,它使底部流速明顯減小,氣流分離區(qū)增多,尾渦擴散區(qū)變大。當?shù)撞孔髌矫嫣幚砗?底部氣流可沿著車底流動,最后在車底與后圍過渡處形成剪切流向后上方流動,不會過早發(fā)生分離,因此尾部分離區(qū)較小。為更直觀地剖析底部結(jié)構(gòu)對尾渦和底部流場的影響,下面通過不同切面多個角度分析流動變化機理。

圖5 底部和尾部流線圖

圖6 尾部速度矢量圖

圖6為尾部速度矢量分布對比圖。由圖可見:汽車底部結(jié)構(gòu)對尾渦的形態(tài)和位置有較大的影響,它使尾渦明顯增大,由原來一左一右兩個旋向相反的縱向渦系變?yōu)橐粋€擴散區(qū)更大的縱向渦,渦核位置向右上方移動,且在車尾左下部增加了一個較大的逆時針旋轉(zhuǎn)的縱向渦,它是由汽車底部分離氣泡向后拖曳發(fā)生二次分離發(fā)展而成;但底部結(jié)構(gòu)對背風側(cè)流場影響不大。

圖7為水平面湍流動能分布云圖,它反映了汽車尾部拖曳渦渦核位置、擴散區(qū)域大小和能量耗散情況。由圖可見:底部結(jié)構(gòu)明顯增加了汽車尾部縱向和橫向拖曳渦的擴散區(qū)域,渦核位置向右移動,尾渦能量更大,耗散更慢,與圖5和圖6分析結(jié)果吻合,因此具有更大的氣動阻力;底部結(jié)構(gòu)對側(cè)面拖曳渦影響不大,擴散區(qū)域有一定增加,能量變化不大,這也是氣動側(cè)力增加不多的原因。

圖7 湍流動能對比

通過進一步分析可知,底部結(jié)構(gòu)使汽車底部流場紊亂,氣流分離區(qū)增多,湍流附面層變厚,因此底部流速減小,壓力升高,這就是底部結(jié)構(gòu)使升力增加的原因。圖8為底部速度橫向規(guī)律,從圖中可以得出相應(yīng)的結(jié)論。

由圖8可見:底部結(jié)構(gòu)對車底前端速度分布影響較小,平均速度降低7.8%,因此它對前軸升力影響不大;但后軸處平均速度降低達到26.9%,后軸升力增加較多。升力增加將導致汽車在高速行駛時容易“發(fā)飄”,發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻的風險增加,也會使后驅(qū)轎車附著力降低,驅(qū)動性能變差,速度越高影響越大。

車身壓力云圖對比如圖9所示。由圖可見:底部結(jié)構(gòu)對車身頂部和前部壓力影響較小;對汽車側(cè)面、汽車底部和尾部壓力影響較大。

通過上述分析得知,氣動力增加是由于底部結(jié)構(gòu)引起尾部、底部和背風側(cè)流場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致,但由于制造成本、離地間隙、散熱和輕量化等多方面的原因,汽車,尤其是緊湊型轎車,底部設(shè)計成完全平整比較困難,因此合理控制車底氣流對于降低氣動力、改善高速行駛穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖8 底部速度橫向分布規(guī)律

圖9 車身壓力云圖分布(迎風側(cè))

3.2 改進方案對比分析

汽車在受到側(cè)風作用的情況下,高速氣流從汽車迎風側(cè)底部進入,為更好控制車底氣流,減少進入車底氣流量,避免高速氣流直接沖擊車底零部件,作為改進方案,在汽車前端底部安裝了一個高度為60mm的阻流板,與保險杠造型融為一體,如圖10所示,改進前后氣動力計算結(jié)果的對比如表5所示。

圖10 底部氣動附件示意圖

表5 改進方案結(jié)果對比

阻流板能改善汽車底部流場,使汽車氣動力(車身+底盤)變小,但阻流板由于直接受遠方來流沖擊,自身會額外增加一部分氣動力。合理的設(shè)計能使改進方案的汽車所降低的氣動力遠超過阻流板自身增加的氣動力,因此整車(車身+底盤+阻流板)氣動力會降低。由表5可知,阻流板對降低氣動力效果非常明顯,改進方案整車(車身+底盤+阻流板)氣動力都有一定程度降低,其中,氣動升力降低最為顯著。阻流板本身額外增加的氣動阻力較大,額外增加的氣動升力可以忽略不計,額外增加的氣動側(cè)力則與橫擺角有直接關(guān)系。

改進方案的流場計算結(jié)果如圖11～圖14所示。對比圖11與圖5(a)、圖12與圖6(a)、圖13與圖7 (a)和圖14與圖9(a)得出阻流板降低氣動力的機理如下。

圖11 改進方案汽車底部及尾部流線圖

(1)阻流板能改善車底氣流狀態(tài),使底部氣流平滑流至車尾,底部紊亂氣流減少,尾部拖曳渦擴散區(qū)明顯減小;但底部分離氣泡產(chǎn)生的二次拖曳渦渦核位置向右上方移動。

圖12 改進方案尾部速度矢量圖

圖13 改進方案湍流動能(Z=0.1m)

圖14 改進方案車身壓力云圖

(2)尾部拖曳渦湍流能量大幅降低,渦核位置離車身更遠,但對尾渦耗散影響不大;背風側(cè)拖曳渦湍流能量稍有降低,擴散區(qū)明顯減小。

(3)車身頂部壓力變化不大,保險杠與發(fā)動機罩過渡區(qū)域負壓明顯增加,迎風側(cè)局部區(qū)域正壓稍有減小。

根據(jù)上述分析,結(jié)合改進前后整車各組成部分氣動力系數(shù)變化情況(見圖15～圖17)可得如下結(jié)果。

(1)阻流板對降低車身和底部結(jié)構(gòu)的氣動阻力有較好效果,對前輪影響大于后輪,因為它與前輪在橫向方向有一定重合,避免了高速氣流直接沖擊前輪,與車輪阻流板有相同效果。

(2)阻流板對降低車身、前后輪氣動側(cè)力都有較好的效果,但會一定程度上增加底部結(jié)構(gòu)的氣動側(cè)力。原因是阻流板會改變底部氣流走向,沿y軸的速度分量會增加,因此底部氣流速度方向與x軸夾角增大,底部結(jié)構(gòu)側(cè)向力相應(yīng)增加。

(3)阻流板可使車底氣流加速,前車底負壓明顯增加,因此底盤升力降低非常明顯。但它對前后輪升力影響較小,且會一定程度上增加車身的升力。因為阻流板會減少進入底部的氣流,因此更多的氣流流向車身上方,并從迎風側(cè)沿著發(fā)動機罩前沿加速向背風側(cè)流去,速度加快,此處負壓明顯增加,因此車身升力更大,如圖14所示。

圖15 改進前后阻力系數(shù)變化對比

圖16 改進前后側(cè)力系數(shù)變化對比

圖17 改進前后升力系數(shù)變化對比

4 結(jié)論

本文中首先通過風洞試驗驗證了計算模型和計算方法的可靠性,然后分別對簡化底部和真實底部結(jié)構(gòu)的轎車進行側(cè)風氣動特性分析與比較,最后提出了改進方案,得出以下結(jié)論。

(1)底部結(jié)構(gòu)對轎車側(cè)風氣動特性影響顯著,它使氣動力明顯增加,特別是氣動升力和氣動阻力。當橫擺角為15°時,分別增加了90.8%和26.8%,進而影響風壓中心位置、氣動側(cè)傾力矩和氣動橫擺力矩變化,因此不能忽略底部結(jié)構(gòu)對側(cè)風穩(wěn)定性的影響。

(2)底部結(jié)構(gòu)使側(cè)風狀態(tài)下汽車的尾渦形態(tài)和位置、底部流場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,尾渦擴散區(qū)變大,底部氣流速度降低,是引起氣動力變化的主要原因。

(3)阻流板能減少進入車底的氣流,改善底部流動狀態(tài)和尾渦結(jié)構(gòu),對降低氣動力效果顯著,特別是氣動升力和氣動側(cè)力。當阻流板高度為60mm、橫擺角為15°時,氣動升力和氣動側(cè)力分別降低了30.8%和15.4%。

(4)本文中只針對某車型橫擺角為15°的情況進行了分析,底部結(jié)構(gòu)對氣動力影響數(shù)值因車型和橫擺角而異,有待以后進一步研究。但它對側(cè)風氣動特性的影響趨勢和機理可推廣到不同車型和不同側(cè)風條件。

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An Analysis on the Effects of Underbody Structure on Car Aerodynamic Characteristics in Crosswind

Yuan Zhiqun1,2,3,Gu Zhengqi4,Yang Mingzhi2,Peng Qian1,3&Liu Xiangui1,3
1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024; 2.Central South University,Key Laboratory of Traffic Safety on Track,Ministry of Education,Changsha 410075; 3.Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle,Xiamen 361024; 4.Hunan University,State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Changsha 410082

Computational fluid dynamics is applied to the comparative analysis on the aerodynamic characteristics of a car with real and smoothed underbody structure respectively under the action of crosswind.The results show that the underbody structure of vehicle has significant effects on aerodynamic forces,and adding an underbody spoiler can improve the flow field structure of underbody,wake and lee side in crosswind and reduce the aerodynamic forces,in particular,the lift force of vehicle.Scale model wind tunnel test verifies the reliability of the numerical analysis method adopted.The outcomes of the study are valuable references for the guidance of vehicle underbody structure design and the analysis on vehicle stability in crosswind.

cars;underbody structure;crosswind;aerodynamic characteristics;aerodynamic forces; wake vortex structure;underbody spoiler

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.005

*國家自然科學基金(50975083,51505403,51641507)、福建省教育廳科技項目(JB13151)和福建省科技創(chuàng)新平臺項目(2016H2003)資助。

原稿收到日期為2016年1月18日,修改稿收到日期為2016年3月20日。

袁志群,博士研究生,E-mail:yzqhnu@163.com。