袁志群1,2,3,谷正气4,杨明智2,彭 倩1,3,刘显贵1,3
(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院,厦门 361024; 2.中南大学,轨道交通安全教育部重点实验室,长沙 410075; 3.福建省客车及特种车辆研发协同创新中心,厦门 361024; 4.湖南大学,汽车车身先进制造国家重点实验室,长沙 410082)
[摘要] 应用计算流体动力学方法分别对带光滑底部和真实底部结构的某轿车进行侧风气动特性对比分析。结果表明:汽车底部结构对气动力影响显著,与光滑底部相比,实际底部结构使尾涡扩散区增大,车底流速减小,导致气动力增加;加装车底阻流板能改善侧风状态下汽车的底部、尾部和背风侧的流场结构,降低整车气动力,特别是气动升力。模型风洞试验验证了所采用数值分析方法的可靠性。本研究对指导汽车底部结构设计和侧风稳定性分析具有较好的参考价值。
关键词：轿车;底部结构;侧风;气动特性;气动力;尾涡结构;车底阻流板
截止2014年底,我国高速公路通车总里程达到11.2万km,位居世界首位,高速公路给人们带来便捷的同时,也引发了更多的交通事故[1],我国交通事故呈逐年上升趋势。影响交通事故的因素众多,其中不可忽视的因素是风。汽车在行驶过程中经常会受到侧向风的干扰(既有自然风也有环境风),因此,气动力和气动力矩会瞬间发生变化,导致汽车偏离原来的行驶轨迹,不仅增加了驾驶员的驾驶疲劳,而且汽车有可能发生侧翻,国内外已报道多起由于侧风而引起的翻车事故,因此汽车侧风稳定性研究受到越来越多的关注。
国内外相关学者对侧风工况下的汽车进行了大量的分析与研究,总结了许多宝贵的经验。文献[2]中分析了前窗倾角对侧风气动特性的影响规律,认为前窗倾角为35°时,行驶稳定性最好;文献[3]中指出侧风对直背式轿车气动力影响显著,随着风速的升高气动力会显著增加;文献[4]中利用流固耦合的方法对客车在不同侧风工况下的气动特性进行了研究,结果表明,流固耦合效应对升力和俯仰力矩影响显著;文献[5]中比较了动态和稳态计算方法在气动力和流场计算方面的优劣;文献[6]中比较了3种不同的侧风计算方法,并与风洞试验结果进行对比;文献[7]和文献[8]中分别对简单的类汽车形体在受到瞬态风影响时的气动力和流场结构进行了研究;文献[9]中利用大涡模拟的方法研究了汽车在受到瞬态风影响时气动力和流场的变化;文献[10]和文献[11]中通过建立桥-车-路耦合系统,研究了汽车在运行过程中受到侧风干扰时流场和气动力的变化规律,及其对汽车行驶稳定性的影响。
从目前国内外研究动态来看,国内学者主要研究汽车在稳态侧风作用下的气动力变化规律,研究对象更接近汽车实际形状。而国外学者主要研究汽车在瞬态侧风作用下的气动力和流场变化规律,更注重机理研究,因此大多数研究对象为简单的类汽车形体。但目前国内外研究对象的车底都简化成平面,忽略了汽车底部结构,与实际情况有很大差别,而底部结构对汽车在无侧风状态下运行时的气动特性影响较大[12]。但目前关于汽车底部结构对汽车在侧风状态下运行时的气动特性的影响尚无定论,因此,在研究汽车侧风稳定性时不能简单地对汽车底部做平面处理,有必要对其进行分析。本文中在文献[6]研究的基础上建立了汽车底部真实结构模型,通过对比简化底部模型,分析了该模型在稳态侧风作用下气动力和流场结构的变化规律和机理,并提出了相应的改进措施,为汽车底部结构设计和研究汽车侧风稳定性提供了理论依据。
利用UG建立了汽车底部详细结构,包括传动系统、悬架、备胎、油箱和地板。由于底部结构复杂,因此在ICEM-CFD中利用OCTREE方法对计算域进行离散,并在车身表面拉伸出多层棱柱网格,满足壁面函数和边界层的计算需求,对流动分离区域网格进行细化。
汽车外流场属于三维不可压缩、等温和定常流场,流动分离区多,因此必须根据实际情况设定边界条件。计算分析在FLUENT软件中完成,采用业界认可度较高的realizable k-ε湍流模型[12-13],应用标准壁面函数求解附面层,计算采用2阶迎风格式和SIMPLE算法,其它边界条件的设置见表1。
表1 边界条件设置
________边界 设置方法入口速度入口边界vx=vcosβ,vy=vsinβ,vz=0 ________________________________v=30m/s,β=15° ________出口 压力出口______汽车表面 壁面边界地面滑移壁面vx=vcosβ,vy=vsinβ,vz=0 _________________________________v=30m/s,β=15° ________顶面 壁面边界
模型侧风计算采用稳态方法[6],汽车固定不动,用远方来流速度v的两个坐标分量分别模拟汽车的运动速度vx和侧风速度vy。计算域和侧风定义如图1所示。
图1 侧风计算方法示意图
表2 不同网格划分方案结果对比
__方案 网格数/万 阻力系数 升力系数 侧力系数_ ____1 116 0.333 0.306 0.736___ ____2 210 0.325 0.278 0.705___ ____3 360 0.299 0.228 0.612___ ____4 580 0.297 0.225 0.608___
为验证网格划分的合理性,对简化底部模型采用4种不同的网格划分方案,计算结果如表2所示。方案1和方案2面网格和体网格不够精细,因此相对方案3和方案4误差较大,方案3和方案4结果接近,但方案4计算时间较长。权衡计算精度和时间后选定方案3,得到的复杂底部计算模型网格如图2所示。
图2 计算模型网格
计算模型的精确度受到网格划分、边界条件、湍流模型和壁面函数等诸多因素的限制,不同的方案计算结果差异较大[14-15],为验证计算模型的可靠性,对简化底部模型进行了风洞试验,如图3所示。该模型比例为1∶4,当风速达到30m/s时,以轴距为特征长度的雷诺数为1.2127×106,满足雷诺相似准则。数值计算结果与试验结果对比如表3所示,计算误差在10%以内,对气动阻力计算比较准确。
图3 模型风洞试验
表3 气动力结果对比
__气动力系数 数值计算 风洞试验 误差___阻力系数0.299 0.292 2.4%____ ___升力系数0.228 0.249 8.4%____ ___侧力系数0.612 0.659 7.1%____
纵对称面尾部流场结果对比如图4所示,流场测量采用PIV测试系统,由于受场地和设备的限制,试验结果只捕捉到上半部。由图可见,本文中计算模型建立方法对涡的形态和位置预测较准确,虽然局部点速度的数值计算与风洞试验结果存在一定差别,这与试验模型在制作、安装和测量等方面的误差有关,但总体上达到工程允许要求,验证了本文数值计算建模方法的可靠性。
图4 尾涡计算与试验结果对比
通过对比真实底部与简化底部汽车模型在气动力、底部流场和尾部流场的差异,分析和总结底部结构对侧风气动特性的影响规律和机理。
表4 底部结构对气动力影响对比
__气动力系数 简化底部 实际底部 增量___阻力系数0.299 0.379 26.8%___ ___升力系数0.228 0.435 90.8%___ ___侧力系数0.612 0.664 8.5%____
3.1 气动力和流场对比分析
底部结构对气动力影响对比见表4。由表可知,底部结构对气动升力影响最大,而对气动侧力影响最小。气动力的变化会导致气动力矩和风压中心位置的改变,因此在研究汽车侧风稳定性时,必须要考虑汽车底部结构引起的气动特性变化对横摆、侧滑和侧倾的影响。
为揭示气动力增大的原因,分别从底部和尾部流态着手分析。图5为底部和尾部三维流线图。由图可见,底部结构对车底和车尾流场影响较大,它使底部流速明显减小,气流分离区增多,尾涡扩散区变大。当底部作平面处理后,底部气流可沿着车底流动,最后在车底与后围过渡处形成剪切流向后上方流动,不会过早发生分离,因此尾部分离区较小。为更直观地剖析底部结构对尾涡和底部流场的影响,下面通过不同切面多个角度分析流动变化机理。
图5 底部和尾部流线图
图6 尾部速度矢量图
图6为尾部速度矢量分布对比图。由图可见:汽车底部结构对尾涡的形态和位置有较大的影响,它使尾涡明显增大,由原来一左一右两个旋向相反的纵向涡系变为一个扩散区更大的纵向涡,涡核位置向右上方移动,且在车尾左下部增加了一个较大的逆时针旋转的纵向涡,它是由汽车底部分离气泡向后拖曳发生二次分离发展而成;但底部结构对背风侧流场影响不大。
图7为水平面湍流动能分布云图,它反映了汽车尾部拖曳涡涡核位置、扩散区域大小和能量耗散情况。由图可见:底部结构明显增加了汽车尾部纵向和横向拖曳涡的扩散区域,涡核位置向右移动,尾涡能量更大,耗散更慢,与图5和图6分析结果吻合,因此具有更大的气动阻力;底部结构对侧面拖曳涡影响不大,扩散区域有一定增加,能量变化不大,这也是气动侧力增加不多的原因。
图7 湍流动能对比
通过进一步分析可知,底部结构使汽车底部流场紊乱,气流分离区增多,湍流附面层变厚,因此底部流速减小,压力升高,这就是底部结构使升力增加的原因。图8为底部速度横向规律,从图中可以得出相应的结论。
由图8可见:底部结构对车底前端速度分布影响较小,平均速度降低7.8%,因此它对前轴升力影响不大;但后轴处平均速度降低达到26.9%,后轴升力增加较多。升力增加将导致汽车在高速行驶时容易“发飘”,发生侧滑和侧翻的风险增加,也会使后驱轿车附着力降低,驱动性能变差,速度越高影响越大。
车身压力云图对比如图9所示。由图可见:底部结构对车身顶部和前部压力影响较小;对汽车侧面、汽车底部和尾部压力影响较大。
通过上述分析得知,气动力增加是由于底部结构引起尾部、底部和背风侧流场结构发生变化所致,但由于制造成本、离地间隙、散热和轻量化等多方面的原因,汽车,尤其是紧凑型轿车,底部设计成完全平整比较困难,因此合理控制车底气流对于降低气动力、改善高速行驶稳定性至关重要。
图8 底部速度横向分布规律
图9 车身压力云图分布(迎风侧)
3.2 改进方案对比分析
汽车在受到侧风作用的情况下,高速气流从汽车迎风侧底部进入,为更好控制车底气流,减少进入车底气流量,避免高速气流直接冲击车底零部件,作为改进方案,在汽车前端底部安装了一个高度为60mm的阻流板,与保险杠造型融为一体,如图10所示,改进前后气动力计算结果的对比如表5所示。
图10 底部气动附件示意图
表5 改进方案结果对比
气动力系数 原始方案(车身+底盘)底盘__阻力系数___________改进方案车身+底盘+阻流板 车身+ 0.379 0.351 0.296___ __升力系数0.435 0.301 0.298___ __侧力系数0.664 0.562 0.552___
阻流板能改善汽车底部流场,使汽车气动力(车身+底盘)变小,但阻流板由于直接受远方来流冲击,自身会额外增加一部分气动力。合理的设计能使改进方案的汽车所降低的气动力远超过阻流板自身增加的气动力,因此整车(车身+底盘+阻流板)气动力会降低。由表5可知,阻流板对降低气动力效果非常明显,改进方案整车(车身+底盘+阻流板)气动力都有一定程度降低,其中,气动升力降低最为显著。阻流板本身额外增加的气动阻力较大,额外增加的气动升力可以忽略不计,额外增加的气动侧力则与横摆角有直接关系。
改进方案的流场计算结果如图11～图14所示。对比图11与图5(a)、图12与图6(a)、图13与图7 (a)和图14与图9(a)得出阻流板降低气动力的机理如下。
图11 改进方案汽车底部及尾部流线图
(1)阻流板能改善车底气流状态,使底部气流平滑流至车尾,底部紊乱气流减少,尾部拖曳涡扩散区明显减小;但底部分离气泡产生的二次拖曳涡涡核位置向右上方移动。
图12 改进方案尾部速度矢量图
图13 改进方案湍流动能(Z=0.1m)
图14 改进方案车身压力云图
(2)尾部拖曳涡湍流能量大幅降低,涡核位置离车身更远,但对尾涡耗散影响不大;背风侧拖曳涡湍流能量稍有降低,扩散区明显减小。
(3)车身顶部压力变化不大,保险杠与发动机罩过渡区域负压明显增加,迎风侧局部区域正压稍有减小。
根据上述分析,结合改进前后整车各组成部分气动力系数变化情况(见图15～图17)可得如下结果。
(1)阻流板对降低车身和底部结构的气动阻力有较好效果,对前轮影响大于后轮,因为它与前轮在横向方向有一定重合,避免了高速气流直接冲击前轮,与车轮阻流板有相同效果。
(2)阻流板对降低车身、前后轮气动侧力都有较好的效果,但会一定程度上增加底部结构的气动侧力。原因是阻流板会改变底部气流走向,沿y轴的速度分量会增加,因此底部气流速度方向与x轴夹角增大,底部结构侧向力相应增加。
(3)阻流板可使车底气流加速,前车底负压明显增加,因此底盘升力降低非常明显。但它对前后轮升力影响较小,且会一定程度上增加车身的升力。因为阻流板会减少进入底部的气流,因此更多的气流流向车身上方,并从迎风侧沿着发动机罩前沿加速向背风侧流去,速度加快,此处负压明显增加,因此车身升力更大,如图14所示。
图15 改进前后阻力系数变化对比
图16 改进前后侧力系数变化对比
图17 改进前后升力系数变化对比
本文中首先通过风洞试验验证了计算模型和计算方法的可靠性,然后分别对简化底部和真实底部结构的轿车进行侧风气动特性分析与比较,最后提出了改进方案,得出以下结论。
(1)底部结构对轿车侧风气动特性影响显著,它使气动力明显增加,特别是气动升力和气动阻力。当横摆角为15°时,分别增加了90.8%和26.8%,进而影响风压中心位置、气动侧倾力矩和气动横摆力矩变化,因此不能忽略底部结构对侧风稳定性的影响。
(2)底部结构使侧风状态下汽车的尾涡形态和位置、底部流场结构发生变化,尾涡扩散区变大,底部气流速度降低,是引起气动力变化的主要原因。
(3)阻流板能减少进入车底的气流,改善底部流动状态和尾涡结构,对降低气动力效果显著,特别是气动升力和气动侧力。当阻流板高度为60mm、横摆角为15°时,气动升力和气动侧力分别降低了30.8%和15.4%。
(4)本文中只针对某车型横摆角为15°的情况进行了分析,底部结构对气动力影响数值因车型和横摆角而异,有待以后进一步研究。但它对侧风气动特性的影响趋势和机理可推广到不同车型和不同侧风条件。
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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
[Abstract] 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.
Keywords：cars;underbody structure;crosswind;aerodynamic characteristics;aerodynamic forces; wake vortex structure;underbody spoiler
doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.005
*国家自然科学基金(50975083,51505403,51641507)、福建省教育厅科技项目(JB13151)和福建省科技创新平台项目(2016H2003)资助。
原稿收到日期为2016年1月18日,修改稿收到日期为2016年3月20日。
通信作者：袁志群,博士研究生,E-mail:yzqhnu@163.com。
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