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)
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(dòng)阻力與速度的平方成正比[2],其在新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(dòng)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(duì)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(píng)估干擾效應(yīng)對(duì)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(duì)后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)中盡可能準(zhǔn)確地評(píng)估道路上真實(shí)的氣動(dòng)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(duì)氣動(dòng)力的影響,并對(duì)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(duì)標(biāo),或其與開闊路面仿真的對(duì)標(biāo)。對(duì)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(duì)氣動(dòng)阻力的影響。對(duì)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(duì)氣動(dòng)阻力的影響。本文中以DrivAer模型為研究對(duì)象,對(duì)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(duì)氣動(dòng)阻力影響的規(guī)律,并對(duì)部分機(jī)理進(jìn)行了闡述。
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(dòng)力學(xué)測試、氣動(dòng)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(dòng)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(duì)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。
DrivAer模型[11]是慕尼黑工業(yè)大學(xué)空氣動(dòng)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
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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
仿真分析中模擬車速為40 m/s。對(duì)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。
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(duì)氣動(dòng)阻力變化趨勢(shì)和變化量評(píng)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
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(duì)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。
2.2.1 基本形態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)這些差異的敏感性不盡相同。對(duì)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(duì)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(duì)比。2.2.2 兩種仿真方法結(jié)果對(duì)比
圖7 風(fēng)阻系數(shù)仿真與試驗(yàn)對(duì)比
對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)延伸到上游噴口附近。因此,噴口的射流會(huì)受到類似固壁的阻塞作用,其截面流速分布會(huì)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(duì)較低,其對(duì)凹凸不平的車底沖擊較小,尾部速度相對(duì)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(duì)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(duì)比圖
圖9 底部速度矢量圖
基于表3所列形態(tài),對(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)比
圖10 各部件風(fēng)阻系數(shù)變化
圖11 為形態(tài)2對(duì)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?duì)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(duì)圖11(a)位置偏上,速度相對(duì)較高。因此尾部區(qū)域負(fù)壓相對(duì)較低,這也是數(shù)值風(fēng)洞仿真風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)較小的主要原因之一。
圖11 對(duì)稱面速度矢量圖
(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(duì)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(duì)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(duì)趨勢(shì)的判斷基本一致,但絕對(duì)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。