宋 昕，李舒雅，嚴(yán) 杰，劉 政，楊 輝，郭西全

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

根據(jù)新版《乘用車燃料消耗量限值》國家標(biāo)準(zhǔn)，我國乘用車新車平均燃料消耗量限值將在2025年下降至4 L／100 km，汽車企業(yè)節(jié)能減排的壓力顯著增加。與此同時(shí)，測試工況由NEDC調(diào)整為WLTC，其試驗(yàn)平均車速由33.6提升到46.3 km／h，最高車速由120提高到131.3 km／h［1］。由于氣動阻力與速度的平方成正比［2］，其在新標(biāo)準(zhǔn)中對燃油消耗量的貢獻(xiàn)值也大幅提升。

風(fēng)洞試驗(yàn)是空氣動力學(xué)性能開發(fā)中的重要方法，但受風(fēng)洞干擾效應(yīng)影響，其結(jié)果不能真正代表汽車在道路上行駛時(shí)的空氣阻力。雖然風(fēng)洞試驗(yàn)修正技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展已經(jīng)取得了一定成果［3-4］，但對于3／4開口風(fēng)洞，暫時(shí)還沒有普遍適用的修正方法來評估干擾效應(yīng)對空氣阻力的影響［5］。因此，結(jié)合具體風(fēng)洞，開展數(shù)值風(fēng)洞仿真與開闊路面仿真的關(guān)聯(lián)性研究，并將研究成果應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的修正，對后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)中盡可能準(zhǔn)確地評估道路上真實(shí)的氣動阻力具有重大意義。文獻(xiàn)［6］～文獻(xiàn)［9］中均基于斯圖加特內(nèi)燃機(jī)與車輛研究所的模型風(fēng)洞（IVK）搭建了數(shù)值風(fēng)洞模型，比較了不同汽車模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞仿真結(jié)果。結(jié)果表明：基于數(shù)值風(fēng)洞的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。文獻(xiàn)［10］中研究了風(fēng)洞噴口阻塞效應(yīng)等因素對氣動力的影響，并對噴口法和駐室法進(jìn)行了比較。

現(xiàn)有的研究多集中于風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值風(fēng)洞仿真的對標(biāo)，或其與開闊路面仿真的對標(biāo)。對于前者，由于數(shù)值風(fēng)洞模型參照實(shí)車風(fēng)洞搭建，因此無法分析風(fēng)洞干擾效應(yīng)對氣動阻力的影響。對于后者，試驗(yàn)與仿真的誤差由湍流模型誤差與物理模型誤差共同引起，因此也無法從中分析風(fēng)洞干擾效應(yīng)對氣動阻力的影響。本文中以DrivAer模型為研究對象，對比了數(shù)值風(fēng)洞仿真和開闊路面仿真的結(jié)果，分析了多種車輛形態(tài)下，風(fēng)洞干擾效應(yīng)對氣動阻力影響的規(guī)律，并對部分機(jī)理進(jìn)行了闡述。

1 風(fēng)洞與DrivAer模型介紹

1.1 風(fēng)洞簡介

該在建風(fēng)洞為3／4開口回流式風(fēng)洞，噴口面積為20.22 m2，試驗(yàn)段長為17 m，最高風(fēng)速為200 km／h，溫度控制范圍為20～60℃，濕度控制范圍為15%～90%，能為乘用車提供空氣動力學(xué)測試、氣動噪聲測試和熱力學(xué)測試。風(fēng)洞整體布局見圖1。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

為保證靜壓梯度、壓力脈動等流場品質(zhì)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在前期通過搭建1∶13.5的模型風(fēng)洞，對風(fēng)洞的部分設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試，模型風(fēng)洞試驗(yàn)如圖2所示。

1.2 DrivAer模型

DrivAer模型［11］是慕尼黑工業(yè)大學(xué)空氣動力學(xué)研究所開發(fā)的通用汽車模型。它是奧迪A4和寶馬3系的組合，相比于經(jīng)典的科研用模型，如Ahmed模型和SAE模型，提供了更詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)。此外，DrivAer模型采用了模塊化設(shè)計(jì)，有3種可更換的后背和兩種車底結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

圖2 模型風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖3 DrivAer模型示意圖

1.3 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

數(shù)值風(fēng)洞參照實(shí)車風(fēng)洞尺寸和結(jié)構(gòu)搭建，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，保留了沉降室、收縮段、噴口、駐室、收集口和緊接其后的擴(kuò)散段。為防止回流發(fā)生，在沉降室之前和擴(kuò)散段之后對計(jì)算域進(jìn)行了適度的延伸。氣流從沉降室前流入，從擴(kuò)散段后流出，具體如圖4所示。開闊路面仿真近似模擬汽車在道路上行駛的工況，工程上一般采用足夠大的長方體作為計(jì)算域。本文中計(jì)算域參照SAE標(biāo)準(zhǔn)J2996［12］搭建，尺寸為車前部3倍車長、后部6倍車長，寬度為10倍車寬，高度為6倍車高。

圖4 數(shù)值風(fēng)洞模型示意圖

面網(wǎng)格的大小、加密區(qū)域的大小等網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置參照Starccm+軟件最佳實(shí)踐，并以詳細(xì)車底DrivAer階梯背模型為研究對象進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞仿真的網(wǎng)格無關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算結(jié)果

從表1中可以看出，方案2網(wǎng)格數(shù)量比方案3少570萬個(gè)，但誤差僅為0.7%。綜合考慮計(jì)算精度和效率，數(shù)值風(fēng)洞仿真采用方案2的網(wǎng)格策略。開闊路面仿真按同樣標(biāo)準(zhǔn)劃分網(wǎng)格，并保證兩種方法中對應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格大小保持一致，以避免網(wǎng)格因素的影響。車身附近計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格示意圖

1.4 邊界條件和物理模型參數(shù)

仿真分析中模擬車速為40 m／s。對于數(shù)值風(fēng)洞仿真，入口速度須根據(jù)式（1）換算，其中入口面積為125 m2，噴口面積為20.22 m2，因此入口實(shí)際速度為6.47 m／s。其它邊界與開闊路面一致，詳見表2。

式中：vi為入口處速度；Si為入口面積；vj為噴口處速度；Sj為噴口面積。

表2 計(jì)算域邊界條件設(shè)置

基于雷諾時(shí)均法（RANS）的雙方程模型能較好地兼顧計(jì)算效率和精度，在工程中被廣泛應(yīng)用。本文中采用 Realizable k-ε模型和 Two-Layer All Y+Wall Treatment進(jìn)行計(jì)算。

1.5 車輛形態(tài)定義

DrivAer模型本身具有多種組合，但為了進(jìn)一步比較底部結(jié)構(gòu)改變時(shí)，兩種仿真方法對氣動阻力變化趨勢和變化量評估的不同，在前保險(xiǎn)杠下端新增了氣壩，高度為3 cm。通過不同背部造型和配置的組合，形成了12種不同的車輛形態(tài)，具體見表3。

表3 車輛形態(tài)列表

2 結(jié)果與討論

2.1 空風(fēng)洞分析

在無車狀態(tài)下，數(shù)值風(fēng)洞內(nèi)的流場與開闊路面仿真時(shí)的流場就已存在顯著區(qū)別。從圖6可以看出，經(jīng)過收縮段加速的氣流，以大約7°的角度從噴口流入駐室，形成了明顯的剪切層，剪切層內(nèi)速度變化很小。這種速度一直保持，直到進(jìn)入收集口后，受擴(kuò)散段的影響速度才逐漸降低。測力天平的中心位于噴口后4.4 m處，試驗(yàn)車輛需安裝在噴口后1.4～7.4 m的范圍內(nèi)。該區(qū)域處于剪切層內(nèi)，風(fēng)速變化小，能滿足試驗(yàn)要求。對于開闊路面仿真，不存在流道截面面積的改變，氣流在流道內(nèi)基本均勻分布，速度梯度很小，具體情況在此不再贅述。

2.2 氣動阻力對比

2.2.1 基本形態(tài)仿真與試驗(yàn)對比

圖6 空風(fēng)洞速度云圖

形態(tài)2、形態(tài)6和形態(tài)10是眾多文獻(xiàn)中普遍研究的基本形態(tài)。此處將文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)結(jié)果與本文的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。由圖可見，不同風(fēng)洞之間測試結(jié)果存在一定差異，且這種差異隨車型變化。對于形態(tài)2和形態(tài)6，文獻(xiàn)［11］中的試驗(yàn)結(jié)果較大，對于形態(tài)10則文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)結(jié)果較大。以文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，兩者誤差為-0.21%～3.2%，3種形態(tài)的平均誤差為2.5%。這主要是因?yàn)椴煌L(fēng)洞的靜壓梯度、噴口阻塞效應(yīng)和收集口阻塞效應(yīng)等均存在差異，不同車型對這些差異的敏感性不盡相同。對比仿真與試驗(yàn)，總體來說，數(shù)值風(fēng)洞仿真結(jié)果比較接近試驗(yàn)結(jié)果。以試驗(yàn)的平均值為基準(zhǔn)，數(shù)值風(fēng)洞仿真誤差在-0.3%～4.8%之間，形態(tài)10誤差最大，3種形態(tài)的平均誤差為1.8%；開闊路面仿真誤差在0.9%～8.2%之間，形態(tài)6誤差最大，3種形態(tài)的平均誤差為5%。如上所述，仿真與試驗(yàn)的誤差主要來源于物理模型的誤差和湍流模型的誤差，當(dāng)二者均較小或二者產(chǎn)生的誤差能相互抵消時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。因此，基于實(shí)車風(fēng)洞搭建物理模型，排除風(fēng)洞干擾效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，才能更好地開展仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比。2.2.2 兩種仿真方法結(jié)果對比

圖7 風(fēng)阻系數(shù)仿真與試驗(yàn)對比

對表3中12種形態(tài)進(jìn)行了仿真分析，數(shù)值風(fēng)洞仿真與開闊路面仿真結(jié)果對比如圖8所示。由圖可見，開闊路面仿真得到的風(fēng)阻系數(shù)均大于數(shù)值風(fēng)洞仿真得到的風(fēng)阻系數(shù)，且?guī)в性敿?xì)車底模型的形態(tài)2、形態(tài)6和形態(tài)10差值更大，為17～22 counts（1 count相當(dāng)于風(fēng)阻系數(shù)為0.001）。無論是否有后視鏡，光滑車底形態(tài)下，兩種計(jì)算方法得到的風(fēng)阻系數(shù)相對接近，為6～12 counts。在詳細(xì)車底模型基礎(chǔ)上增加氣壩后，兩種計(jì)算方法得到的風(fēng)阻系數(shù)差值為7～8 counts，與光滑車底形態(tài)基本一致。這說明車輛底部流場仿真的結(jié)果受計(jì)算域的影響較大。主要原因如下：在3／4開口風(fēng)洞中，由于模型安裝位置離噴口較近，其前部的正壓區(qū)會延伸到上游噴口附近。因此，噴口的射流會受到類似固壁的阻塞作用，其截面流速分布會發(fā)生改變，使下部流速降低。圖9（a）和圖9（b）分別為形態(tài)2開闊路面仿真和數(shù)值風(fēng)洞仿真車身底部速度矢量圖，高度為Z＝0.06 m。由圖可見，數(shù)值風(fēng)洞仿真時(shí)進(jìn)入底部的氣流速度相對較低，其對凹凸不平的車底沖擊較小，尾部速度相對較高，能量損失少。因此，采用數(shù)值風(fēng)洞仿真得到的風(fēng)阻系數(shù)明顯小于開闊路面仿真得到的風(fēng)阻系數(shù)。圖9（c）和圖9（d）分別為形態(tài)3開闊路面仿真和數(shù)值風(fēng)洞仿真車身底部速度矢量圖，高度為Z＝0.06 m。由圖可見，數(shù)值風(fēng)洞仿真時(shí)進(jìn)入底部的氣流速度依然相對較低，但由于車底光滑，尾部氣流速度相差不明顯，因此，兩種方法計(jì)算得到的風(fēng)阻系數(shù)相差不大。

圖8 各車輛形態(tài)風(fēng)阻系數(shù)對比圖

圖9 底部速度矢量圖

2.3 風(fēng)阻系數(shù)變化量對比

基于表3所列形態(tài)，對比了形態(tài)變化時(shí)，兩種仿真方法計(jì)算得到的風(fēng)阻系數(shù)變化量ΔCd，具體見表4。形態(tài)X-形態(tài)Y表示從形態(tài)X變化到形態(tài)Y。由表可見，除形態(tài)2-形態(tài)6外，兩種仿真方法計(jì)算得到的變化趨勢均一致。該特例可能是由于仿真分析誤差，以及形態(tài)2和形態(tài)6本身差別并不大所致。從位置看，對于背部和后視鏡變化，兩種仿真方法計(jì)算得到的ΔCd相差2～5 counts；對于車底和氣壩變化，兩種仿真方法計(jì)算得到的ΔCd約為9～15 counts。將整車分為車身前部、車身背部、車底、后視鏡、前輪、后輪和氣壩7部分。由形態(tài)1變化到形態(tài)2時(shí)，各部件風(fēng)阻系數(shù)變化如圖10所示。由圖可見，兩種仿真方法的結(jié)果主要差別在車底和前部。

表4 風(fēng)阻系數(shù)變化量對比

圖10 各部件風(fēng)阻系數(shù)變化

2.4 流場對比

圖11 為形態(tài)2對稱面速度矢量圖。從圖11（b）可以看出，在數(shù)值風(fēng)洞仿真中，受模型阻塞影響，風(fēng)洞原有的剪切層形狀發(fā)生了改變，在車身上部變?yōu)橄蛏瞎?。相對于開闊路面仿真，數(shù)值風(fēng)洞仿真在模型的前部、底部、上部速度均較低。在模型的尾部，兩種仿真方法模擬的尾渦結(jié)構(gòu)相似，圖11（b）中上部的尾渦相對圖11（a）位置偏上，速度相對較高。因此尾部區(qū)域負(fù)壓相對較低，這也是數(shù)值風(fēng)洞仿真風(fēng)阻系數(shù)相對較小的主要原因之一。

圖11 對稱面速度矢量圖

3 結(jié)論

（1）基于實(shí)車風(fēng)洞搭建的數(shù)值風(fēng)洞，能通過CFD仿真較好地模擬剪切層和噴口阻塞效應(yīng)等風(fēng)洞中的流場特征，可作為研究風(fēng)洞壁面效應(yīng)的重要工具。

（2）在不同風(fēng)洞中，風(fēng)洞干擾效應(yīng)對風(fēng)阻系數(shù)的影響并不相同，因此須結(jié)合具體風(fēng)洞開展相關(guān)研究。

（3）基于某企業(yè)實(shí)車風(fēng)洞搭建的數(shù)值風(fēng)洞，其風(fēng)阻系數(shù)仿真分析結(jié)果普遍低于開闊路面仿真分析結(jié)果。

（4）在對比模型兩種形態(tài)間的ΔCd時(shí)，數(shù)值風(fēng)洞仿真和開闊路面仿真對趨勢的判斷基本一致，但絕對值的大小存在差異。這種差異并非固定，而是與車輛形態(tài)相關(guān)。風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值風(fēng)洞仿真一樣存在干擾效應(yīng)，因此，現(xiàn)階段工程上廣泛使用的開闊路面仿真結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證的方法還須進(jìn)一步完善。