田 思，侯園章，吳 敏，朱 玲，李春林，楊彥君

(1.奇瑞上海技術(shù)中心， 上海 200120；2. 中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401120)

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)值仿真技術(shù)得到快速發(fā)展，越來越多地應(yīng)用于工程實(shí)際中，汽車空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬也可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)也被稱作CFD[1]，它是用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算去研究流體力學(xué)的一門學(xué)科，也是研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)的一種手段，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得數(shù)值仿真的效率和仿真結(jié)果的可靠度都有很大的提升[2]。車輛外流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，而且氣體的流動(dòng)特征是不規(guī)則的，外流場(chǎng)仿真的精確度受到很多因素的影響，主要有幾何模型的前處理及建模、網(wǎng)格劃分的類型、物理模型的選取、計(jì)算資源的供給和仿真策略的制訂等[3]。氣體流過車身后會(huì)在車身尾部產(chǎn)生流動(dòng)分離，氣體分離后在尾部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻力。通過分析車身尾流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以知道壓差阻力產(chǎn)生的原因，采用相應(yīng)的尾流控制措施，可以減小車輛的氣動(dòng)阻力[4]。流動(dòng)控制技術(shù)主要有被動(dòng)控制與主動(dòng)控制這2大類，目前比較常見的流動(dòng)控制技術(shù)是被動(dòng)控制方式，它的措施簡(jiǎn)單，且確定后即可保持不變，如導(dǎo)流罩、擾流板等[5]。主動(dòng)控制方式與之相反，它的控制是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的，且隨流動(dòng)的變化而改變，常見的有定常射流技術(shù)、合成射流技術(shù)、抽吸和吹除等[6]。氣體的黏性作用使氣流在物體表面形成一層很薄的附面層，當(dāng)氣體流動(dòng)出現(xiàn)速度差，超過一個(gè)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生分離流動(dòng)，通過一定的流動(dòng)控制手段，可以改變氣流的分離，從而實(shí)現(xiàn)減阻效果[7]。針對(duì)外流場(chǎng)的仿真精確度，前人已經(jīng)做了很多這方面的研究工作，本文參考吉林大學(xué)的一篇碩士論文[8]，使用CFD仿真軟件STAR-CCM+，從網(wǎng)格的類型、湍流模型、網(wǎng)格的尺寸這3個(gè)方面進(jìn)行考慮[9]，采用準(zhǔn)確度高的CFD仿真策略，在確保軟件仿真精確度的前提下，使用雷諾時(shí)均法SSTk-w湍流模型對(duì)快背式MIRA模型進(jìn)行射流主動(dòng)控制氣動(dòng)減阻研究。首先，根據(jù)前人所做的研究，選定快背式MIRA模型尾部可能有效的5個(gè)位置作為研究對(duì)象，在固定了射流孔的形狀后，采用定常射流的方式，通過改變射流速度的大小，分別研究了這5個(gè)射流位置下，不同射流速度對(duì)模型阻力的影響，并研究了射流孔的數(shù)量對(duì)模型減阻的影響，實(shí)現(xiàn)了一定程度的減阻，分析了減阻機(jī)制，對(duì)射流主動(dòng)控制減阻的研究有重要意義[10]。

1 模型的選擇及方案設(shè)定

1.1 模型選取

研究汽車氣動(dòng)特性的標(biāo)準(zhǔn)模型有多種，其中常見的模型有MIRA模型，前人對(duì)MIRA模型進(jìn)行了大量的仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)，有豐富的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考[11]。本文選用快背式MIRA模型作為研究對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型示意圖如圖1所示，尺寸參數(shù)如表1所示。為了研究方便，本文選用1/4大小的MIRA模型。

1.2 仿真方案設(shè)定

MIRA模型的形狀更接近實(shí)車，它的尾流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型周圍外流場(chǎng)的變化，影響模型表面壓力的分布，從而決定了阻力系數(shù)的大小，表面壓力又受尾部分離渦的影響較大；因此，本文減阻的重點(diǎn)在于控制模型的尾部分離渦[12]。傳統(tǒng)的減阻方式是被動(dòng)控制減阻技術(shù)，通過改變局部特征去改善流體的流動(dòng)特性[13]，從而實(shí)現(xiàn)減阻。本文采用主動(dòng)控制的方式，對(duì)流場(chǎng)施加外部激勵(lì)，對(duì)流場(chǎng)輸入能量去改變外部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，通過對(duì)射流的布置參數(shù)的優(yōu)化來尋找最優(yōu)射流方案，以減小MIRA模型的氣動(dòng)阻力。

圖1 MIRA模型示意圖

序號(hào)名稱尺寸/mm1總長(zhǎng) 41652總寬 16253總高 14214軸距 25405輪距 12706發(fā)動(dòng)機(jī)罩長(zhǎng)度10557車輪半徑 3058后端長(zhǎng)度 13209倒角半徑 152

本文參照文獻(xiàn)[8]所做的研究，采用固定的射流孔形狀，垂直射流的方式，固定射流孔的位置，研究射流速度對(duì)尾流結(jié)構(gòu)的影響。由前人所做的研究可知，比例模型的阻力主要是壓差阻力，這與模型的尾流結(jié)構(gòu)直接相關(guān)；因此，射流孔的位置設(shè)置在尾部區(qū)域[14]，如圖2所示。

圖2 MIRA模型尾部開孔示意圖

本文研究對(duì)象為1/4大小的MIRA模型，采用的射流孔形狀是一致的，采用的射流孔形狀為兩端是圓型的矩形射流孔，射流孔關(guān)于模型的縱軸線是對(duì)稱的，兩端圓心的距離為221.6 mm，兩端圓弧的半徑為1.5 mm，孔的深度為10 mm,射流孔的具體尺寸如圖3所示，圖4分別為A、B、C、D、E 5個(gè)位置下射流孔橫向?qū)ΨQ線到模型最近分離邊界的距離。

圖3 射流孔尺寸

圖4 射流孔位置

2 計(jì)算模型設(shè)置

本仿真采用1/4快背式MIRA模型，用整車模型的阻力系數(shù)Cd作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究主動(dòng)控制減阻技術(shù)對(duì)減小整車阻力的作用。本文采用的數(shù)字風(fēng)洞為16 m×4 m×2.5 m的長(zhǎng)方體計(jì)算域，模型的阻塞約為1%，基本滿足了要求的阻塞比[15]。選擇合適的計(jì)算域，模型距入口的距離約為模型長(zhǎng)度的5倍，模型距出口的距離約為模型長(zhǎng)度的9倍，這樣的設(shè)置使模型周圍有足夠大的空間，使它附近特別是尾部的空氣流動(dòng)能夠充分發(fā)展。為保證與風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)保持一致，設(shè)定60 m/s的來流速度，雷諾數(shù)Re為4.29×106，湍流強(qiáng)度小于0.5%[16]。由于空氣相對(duì)于汽車的流速低于0.3馬赫數(shù)，在汽車外流場(chǎng)的仿真中，空氣可以被看做是理想的氣體[17]，具有不可壓縮性。我們采用離散控制方程，應(yīng)用有限體積法去求解。在求解器的設(shè)置方面，空間離散格式對(duì)計(jì)算的穩(wěn)定性有較大影響，松弛因子對(duì)控制方程的求解速度有較大影響，這2個(gè)因素都影響著計(jì)算結(jié)果的精確性。本文采用適中的松弛因子和滿足二階精度的離散格式[18]。

圖1模型設(shè)定三級(jí)加密體，為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性，第一級(jí)加密體的網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較小些。為了更接近實(shí)際工況，需要對(duì)邊界層進(jìn)行模擬，邊界層網(wǎng)格設(shè)置為5層的棱柱層網(wǎng)格，邊界層厚度為6 mm，邊界層網(wǎng)格增長(zhǎng)比為1.2，圖6為邊界層網(wǎng)格示意圖?？紤]到邊界函數(shù)對(duì)仿真精確度的影響，本文通過調(diào)整網(wǎng)格的大小，使計(jì)算模型的Y+值處于經(jīng)驗(yàn)值之間，確保對(duì)邊界層流動(dòng)的仿真更準(zhǔn)確[19]。

圖5 幾何模型與網(wǎng)格空間整體布置圖

圖6 邊界層網(wǎng)格示意圖

計(jì)算模型的物理?xiàng)l件及求解參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

3.1 第一輪仿真分析

1.2節(jié)介紹了射流孔的布置方案及開口形狀，采用兩端呈圓弧的矩形射流孔，孔的具體尺寸參數(shù)見上文，這里不再贅述，分別對(duì)A、B、C、D、E 5個(gè)位置的射流方案進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，給定5～50 m/s的速度區(qū)間，以5 m/s為間隔，總共10種速度方案，通過計(jì)算給定位置下不同射流速度的模型，得到50個(gè)計(jì)算結(jié)果，如表3所示。在保證計(jì)算精確度的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到各工況下模型的阻力系數(shù)。為使誤差降到最低，仿真的結(jié)果均精確到小數(shù)點(diǎn)后第4位即萬分位，且取后500步計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 初步仿真結(jié)果

為了方便觀察減阻方案的變化趨勢(shì)以及更好地與原始數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將表3中的數(shù)據(jù)做成一個(gè)折線圖，如圖7所示。圖中Case0為給定的原始數(shù)模的阻力系數(shù)，在圖中它是一條直線，用來做對(duì)比分析，數(shù)值在這條直線上方的方案，阻力增大，在直線下方的方案，阻力變小，有減阻效果。從折線圖中可以看出CaseA、CaseB、CaseD、CaseE這4個(gè)位置的減阻工況都沒有明顯的減阻效果，其中最不好的是CaseA,它使模型的阻力增大很多，并且隨著射流速度的增大，阻力有增大的趨勢(shì)。其次減阻效果不好的方案是CaseB,它的阻力系數(shù)整體上是隨著射流速度的增大而增大，并且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。雖然在射流速度為35 m/s的時(shí)候有個(gè)突變，但并沒有多大的減阻效果。CaseD和CaseE這2個(gè)位置下的減阻方案沒有明顯的效果，但隨著射流速度的增大，阻力有增大趨勢(shì)。CaseC是減阻效果最好的工況，在低速射流時(shí)，模型的阻力系數(shù)變化不大，隨著射流速度的增大，模型的阻力系數(shù)逐漸減小，速度到50 m/s時(shí)，阻力系數(shù)最小，并且阻力系數(shù)Cd有繼續(xù)降低的趨勢(shì)。后面將繼續(xù)對(duì)CaseC這個(gè)位置的工況做研究，探究減阻機(jī)制。

圖7 不同工況下阻力系數(shù)對(duì)比圖

3.2 第二輪仿真分析

經(jīng)過第一輪的仿真分析，已經(jīng)排除了CaseA、CaseB、CaseD、CaseE這4個(gè)位置下仿真工況。研究發(fā)現(xiàn)，在CaseC工況下，當(dāng)采用高速射流時(shí)，模型的減阻效果更明顯。下面給定55～100 m/s的速度區(qū)間，以5 m/s為間隔，總共10種速度方案，通過計(jì)算CaseC位置下不同射流速度的模型，得到10個(gè)計(jì)算結(jié)果。在這10個(gè)計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)射流速度為75 m/s時(shí)，模型阻力系數(shù)最小，為0.258 5。以75 m/s為基準(zhǔn)，在它的兩側(cè)以1 m/s為間隔，增加8種射流方案，上述減阻方案的結(jié)果如表4所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在CaseC位置的減阻方案中，當(dāng)射流速度為79 m/s時(shí)，有最好的減阻效果，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.258 3，相比于原始數(shù)模，阻力系數(shù)降低了將近16個(gè)count，減阻效果明顯。

表4 第二輪仿真結(jié)果

3.3 對(duì)噴口數(shù)目的探索

在對(duì)預(yù)設(shè)的幾個(gè)位置進(jìn)行了研究之后，找到了減阻效果最好的工況，即在C位置采用79 m/s的射流，此時(shí)模型的阻力系數(shù)為0.258 3。接下來分析射流孔的數(shù)目對(duì)減阻效果的影響，在CaseC的基礎(chǔ)上，在靠近模型尾部的方向上增加一個(gè)射流孔，射流孔的尺寸同前文所述，此方案命名為CaseC2，新增射流孔的橫軸線距離原來孔的橫軸線5 mm，新增射流孔也關(guān)于模型的縱軸線對(duì)稱。在靠近模型尾部方向上增加第3個(gè)射流孔，布置如前所述，此方案命名為CaseC3，新增方案布置示意圖如圖8所示，新增射流孔的位置參數(shù)如圖9所示。

圖8 增加射流孔數(shù)的方案示意圖

圖9 射流孔布置圖

新增方案CaseC2、CaseC3中的射流孔的射流速度都為79 m/s，經(jīng)過仿真計(jì)算，得到C位置下3種工況的阻力系數(shù)，如表5所示。

表5 第二輪仿真結(jié)果

從表5可以看出，增加射流孔的數(shù)量后，模型的阻力系數(shù)不但沒有減小反而增大，且都比原始數(shù)模的阻力系數(shù)大很多，說明在此設(shè)想下，增加射流孔的數(shù)量這種方案不可行。

3.4 后處理分析

通過之前的分析，確定了最佳減阻方案，即在C位置開孔，射流速度為79 m/s的方案，此時(shí)的阻力系數(shù)為0.258 3。下面將對(duì)這種方案的計(jì)算結(jié)果做可視化分析，研究射流減阻的減阻機(jī)制。

圖10為標(biāo)準(zhǔn)快背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的尾部俯視壓力云圖?？芍顑?yōu)減阻工況斜面上的壓力相較于標(biāo)準(zhǔn)模型有所增大，高壓區(qū)域增大，這就有效地減小了模型的壓差阻力。

圖10 尾部壓力云圖(俯視)

圖11為標(biāo)準(zhǔn)快背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的尾部后視壓力云圖。可知，最優(yōu)減阻工況背部的壓力相較于標(biāo)準(zhǔn)模型有所增大，高壓區(qū)域增大，這就有效地減小了模型的壓差阻力。

圖11 尾部壓力云圖(后視)

圖12為標(biāo)準(zhǔn)快背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的縱向?qū)ΨQ面上的速度矢量圖?？梢钥吹?，優(yōu)化模型的尾部分離渦遠(yuǎn)離車體，分離區(qū)域增大，延遲了車體表面氣流的分離。這是導(dǎo)致模型表面壓力增大的主要原因，有利于減小模型的壓差阻力。在射流孔的前方，有較小的回流，會(huì)有一定的能量損耗，但這并不影響模型整體的降阻效果。

圖12 縱向?qū)ΨQ面上速度矢量圖

圖13為標(biāo)準(zhǔn)快背式MIRA模型與最優(yōu)減阻工況的尾部10 mm處橫截面上的速度云圖。可以看出減阻方案尾部斜面上的分離區(qū)域有所擴(kuò)展，分離區(qū)域增大，尾流氣流的流動(dòng)得到較好的改善。

圖13 尾部10 mm處橫截面上速度云圖

4 結(jié)論

本文使用數(shù)值模擬的方法，采用定常射流的方式，對(duì)快背式標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型做了減阻研究，通過主動(dòng)控制的手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)外流場(chǎng)流動(dòng)的控制，對(duì)模型尾部各個(gè)可能有效的位置做了仿真分析，探究了射流速度對(duì)減阻效果的影響，有較好的減阻結(jié)果。可以得到以下結(jié)論：

1)MIRA模型的主要阻力來自于壓差阻力，減阻的重點(diǎn)在于改善模型尾部的流場(chǎng)，在設(shè)置的5個(gè)可能有效位置中，有減阻效果的只有C位置。

2)射流的速度影響減阻的效果，研究發(fā)現(xiàn)，在C位置下，當(dāng)射流速度為79 m/s時(shí)，模型的阻力系數(shù)為0.258 3，相比于原始數(shù)模，阻力系數(shù)降低了將近16個(gè)count，減阻效果明顯。

3)在最佳減阻方案中，射流改變了模型尾部區(qū)域氣流的流動(dòng)，使流過車體表面的氣流延遲分離，分離區(qū)域增大，增大了模型尾部的負(fù)壓，從而使模型整體的差壓阻力減小。

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