王東， 楊松枝

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804)

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基于CFD仿真技術(shù)對(duì)某敞篷車外流場(chǎng)的優(yōu)化

王東， 楊松枝

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804)

通過CFD方法對(duì)某敞篷車與硬頂車進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)比流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)敞篷車座艙內(nèi)部形成的局部渦流區(qū)是造成周圍氣流回流從而降低乘坐舒適性與增加風(fēng)阻系數(shù)的主要原因.通過延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃、提升后背高度、調(diào)整擋風(fēng)玻璃傾角在33°附近，可顯著減少回流到座艙的氣流以提升乘坐舒適性，并降低氣流在座艙及后背處發(fā)生的分離，有效降阻達(dá)16%，獲得較好的空氣動(dòng)力學(xué)特性.

CFD分析;敞篷車;乘坐舒適性;空氣阻力

空氣阻力在汽車車速超過100 km/h后即成為最主要的阻力，因此研究汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義. 國(guó)內(nèi)外關(guān)于普通乘用車的空氣動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)很成熟，關(guān)于敞篷車的研究，主要有Knight等[1]提出用來模擬軟頂敞篷車車頂在受到空氣阻力而變形的流固耦合算法；Cogotti[2]研究了用于做敞篷車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的技術(shù)及方法；Jae-ho Cho等[3]使用有限元模擬的方法找出敞篷車在受到側(cè)面撞擊時(shí)的保護(hù)方法；Felix Regin等[4]用CFD方法研究了敞篷車與硬頂車流場(chǎng)差異，并研究出敞篷車窗戶在不同開閉狀態(tài)下的風(fēng)阻變化，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方法；Currle等[5]用CFD仿真與模型風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了SLK級(jí)奔馳車在不同形貌下的流場(chǎng)特性及阻力值，為優(yōu)化敞篷車的流場(chǎng)提供參考. 基于以上學(xué)者對(duì)敞篷車的研究，文中主要是通過使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)某款敞篷車進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究，通過改變車的外形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化，達(dá)到提升乘坐舒適性與減小空氣阻力的目的.

1 幾何模型

敞篷車、硬頂車及車內(nèi)其他部件的幾何模型如圖1所示. 模擬仿真中車體的長(zhǎng)、寬、高均分別為4.23，1.70，1.25 m. 為了能夠真實(shí)地模擬敞篷車在行駛中的流場(chǎng)，保留車內(nèi)所有零部件，包括動(dòng)力總成部分，底盤等，并加入兩個(gè)人體模型.

2 仿真環(huán)境設(shè)置

2.1 計(jì)算域選定與網(wǎng)格劃分

為使整車周圍流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度能夠在計(jì)算域內(nèi)充分發(fā)展，選取計(jì)算域長(zhǎng)度為11倍車長(zhǎng)，寬度為7倍車寬，高度為5倍車高，車頭距離入口為3倍車長(zhǎng)，如圖2所示，采用邊長(zhǎng)為2～30 mm非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(三角形網(wǎng)格)，對(duì)模型及整個(gè)計(jì)算域在Hypermesh里面劃分面網(wǎng)格，如圖3所示，然后將面網(wǎng)格導(dǎo)入Tgrid里面生成以四面體為主的體網(wǎng)格，在敞篷車外表面生成三棱柱邊界層網(wǎng)格，控制網(wǎng)格大小保證yplus值介于30～300之間，并在車身附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終體網(wǎng)格數(shù)量為1 900萬.

2.2 邊界條件設(shè)置

此次仿真是通過求解穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程來得到收斂解，求解器為CFD仿真軟件FLUENT，車速為110 km/h，具體的湍流模型與邊界條件如下：① 近壁面處理采用非平衡壁面函數(shù)；② 冷凝器采用多孔介質(zhì)模型；③ 散熱器多孔介質(zhì)模型；④ 計(jì)算域入口邊界為速度入口(110 km/h)；⑤ 計(jì)算域出口邊界為壓力出口(大氣壓)；⑥ 計(jì)算域側(cè)面和頂面為對(duì)稱邊界；⑦ 計(jì)算域底面為滑移地面.

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真可靠性驗(yàn)證

通過對(duì)上述敞篷車和硬頂車進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示硬頂車的Cd<0.35，敞篷車的Cd接近0.46，敞篷車相對(duì)于硬頂車阻力值增加近37%，與Felix等[5]研究的同一款車在敞篷與非敞篷狀態(tài)下Cd值的增加量接近35%，從而證實(shí)該仿真方法的有效性.原始敞篷車與硬頂車流場(chǎng)分析與對(duì)比，如圖4～圖5所示.

由圖4可知敞篷車與硬頂車流場(chǎng)顯著差異為氣流在經(jīng)過敞篷車擋風(fēng)玻璃后，由于失去附著區(qū)不能像硬頂車那樣沿著車頂向后發(fā)展，而是產(chǎn)生了較大的分離，分離的氣流在座艙內(nèi)部形成復(fù)雜的渦，與皮卡車仿真中，駕駛室后方與貨箱內(nèi)部形成的漩渦相似，能量耗散嚴(yán)重，造成座艙內(nèi)部的低壓區(qū)，如圖5(a)，誘使周圍氣流不斷回流至座艙內(nèi)，由圖4(b)可看出座艙附近的流線有明顯彎向座艙的趨勢(shì)，而背部回流的氣體直接吹向乘員頭部，降低駕駛的舒適性[5]，越靠近座艙，受內(nèi)部渦的卷吸作用越強(qiáng)，氣流更易改變方向，湍流強(qiáng)度也越強(qiáng)，湍動(dòng)能是衡量湍流強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，由圖5(b)中可知，湍流強(qiáng)度從座艙向后的變化趨勢(shì)是由弱變強(qiáng)再減弱的過程，座艙內(nèi)部由于處于渦核中心的死水區(qū)，與外界能量交換較少，湍流強(qiáng)度也較弱，由于座艙內(nèi)部形成的低壓區(qū)對(duì)周圍氣流的強(qiáng)烈卷吸作用，使得在后背上方形成較強(qiáng)的氣流回流區(qū)，所以湍流強(qiáng)度也在后背上方達(dá)到最大值，離座艙越來越遠(yuǎn)時(shí)，氣流受到座艙的影響迅速減弱，卷吸現(xiàn)象逐漸緩解，湍流強(qiáng)度也逐漸減弱，氣流得以正常向前發(fā)展.

敞篷車尾渦由兩部分構(gòu)成，上部分是由未發(fā)生分離的氣流與后背上形成的分離氣泡向后拖曳匯合而成，如圖4(b)，而下部分則與硬頂車的一致，是由車底部上洗流與側(cè)面的氣流匯合而成. 由于座艙內(nèi)部復(fù)雜渦流區(qū)造成的低壓區(qū)，及后背上方形成的較大分離區(qū)、尾渦范圍的擴(kuò)大共同造成敞篷車相對(duì)于硬頂車有更大的阻力值.

4 敞篷車的性能優(yōu)化

4.1 提升舒適性

為減少?gòu)暮蟊郴亓髦磷摰臍饬骺煽紤]在座椅后部增加擋風(fēng)墻至人頭部的高度，經(jīng)過仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，增加的擋風(fēng)墻可以有效切斷從后背回流至座艙的氣流，如圖6所示，改善了舒適性，從而驗(yàn)證了方案的可行性.

4.2 減少風(fēng)阻

4.2.1 提升后背高度

從后背回流至座艙內(nèi)部的氣流在增加擋風(fēng)墻后顯著減少，但敞篷車總體的Cd值卻相對(duì)原來增加近4%，由圖6可知，在擋風(fēng)墻后形成新的渦流區(qū)是由回流的氣流在遇到擋風(fēng)墻阻擋時(shí)迅速發(fā)生分離并改變方向形成的，新形成的渦由于能量耗散而形成低壓區(qū)，從而增大整車的壓差阻力，為了解決該問題，可通過提升后背的方式實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)墻與車尾的平滑過渡.仿真結(jié)果顯示Cd值降低0.2%，車后背上的分離區(qū)相對(duì)于增加擋風(fēng)墻也明顯減小如圖7所示，證明該方案的可行性.

4.2.2 延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃

由圖4可知，氣流在由前方流過敞篷車時(shí)，發(fā)生兩次分離，第一次是從動(dòng)力艙蓋流經(jīng)到擋風(fēng)玻璃下邊沿處時(shí)，另一次則為氣流在上升至在擋風(fēng)玻璃的最上邊沿時(shí)，分離的原因皆為氣流流經(jīng)的物體表面突然發(fā)生較大的形狀改變而使氣流分離. 基于以上考慮，可通過改變風(fēng)窗玻璃傾角以實(shí)現(xiàn)與動(dòng)力艙蓋的光滑過渡來減少分離區(qū)，也可以通過延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃的上邊沿以推遲氣體的分離來減少尾部的分離區(qū)以達(dá)到降阻的效果. 由于風(fēng)窗玻璃的傾角變化范圍較大，所以先考慮延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃上邊沿.

本次實(shí)驗(yàn)是通過向后延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃100 mm，仿真結(jié)果顯示該方案可有效降阻達(dá)13%，說明延長(zhǎng)部分能有效引導(dǎo)氣流并推遲氣體分離時(shí)間，使得車尾渦流區(qū)范圍縮小如圖8所示，減少負(fù)壓區(qū)，從而降低總體壓差阻力；若與4.2.1節(jié)提升車的后背結(jié)合后如圖8所示，降阻增至16%.

4.2.3 改變擋風(fēng)玻璃傾角

在延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃、提升后背高度的基礎(chǔ)上，再對(duì)擋風(fēng)玻璃傾角進(jìn)行優(yōu)化，汽車的前風(fēng)窗傾角會(huì)影響氣流向車身上部流動(dòng)的方向和強(qiáng)度，對(duì)阻力系數(shù)有較大的影響，僅從空氣動(dòng)力學(xué)的角度看，前風(fēng)窗傾角應(yīng)該是越小越好，但是過小的前風(fēng)窗傾角會(huì)影響到駕駛員的視野范圍，給駕駛員的操作帶來影響，同時(shí)也會(huì)影響其頭部空間，因此在實(shí)際的汽車車身外形設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮氣動(dòng)特性與乘駕性能的要求. 試驗(yàn)表明，當(dāng)風(fēng)窗玻璃的斜度小于30°以后，即使繼續(xù)降低斜度，降阻效果也不明顯，而且過大斜度的前風(fēng)窗玻璃會(huì)以犧牲視野的效果和乘坐的舒適性為代價(jià)，因此關(guān)于敞篷車的優(yōu)化選用的風(fēng)窗傾角最小為30°，最大為50°，原始風(fēng)窗玻璃傾角為33°，具體的選擇方案共10種，傾角變化范圍及對(duì)應(yīng)的Cd值變化量如圖9所示.

由圖9可以看出，當(dāng)傾角小于33°時(shí)，阻力增加值隨著傾角的減小而逐漸增大；當(dāng)傾角大于33°時(shí)，阻力增加值隨傾角的增大而增大，由此得到較優(yōu)的傾角接近33°.隨著風(fēng)窗玻璃傾角的增大，動(dòng)力艙蓋與風(fēng)擋玻璃之間的分離區(qū)范圍也增大(見圖10中線圈所標(biāo)定區(qū))，由于此次仿真是通過求解雷諾時(shí)均方程得到的平均化的速度場(chǎng)，所以很難準(zhǔn)確捕捉到動(dòng)力艙蓋上的氣流分離點(diǎn)與擋風(fēng)玻璃上附著點(diǎn)，但是可以定性看出氣流分離點(diǎn)隨著傾角的增大逐漸向車前臉處靠近，相反附著點(diǎn)則是隨著傾角的增大逐漸向后靠近風(fēng)窗玻璃上沿，分離區(qū)大小在30°與33°時(shí)接近，而阻力值33°較小的另一個(gè)原因則是擋風(fēng)玻璃在該角度下，其傾角弧度剛好與此時(shí)提升的后背高度弧度接近，所以氣流在被延長(zhǎng)的擋風(fēng)玻璃引導(dǎo)后能夠很好地附著到后背上而不會(huì)因?yàn)榕c風(fēng)擋的高度差而形成新的氣流分離. 因此車原始擋風(fēng)玻璃角度33°即為較優(yōu)模型. 綜上分析，最終的優(yōu)化方案為同時(shí)延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃、提升后背高度，并配合33°的擋風(fēng)玻璃傾角，仿真驗(yàn)證可有效降阻達(dá)16%.

將原始模型與最終優(yōu)化模型進(jìn)行仿真對(duì)比，圖11展示出最終的優(yōu)化效果與原始圖的流場(chǎng)比較. 對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后車尾渦尺度有明顯減少，從而驗(yàn)證組合方案的有效性.

5 結(jié)束語

通過使用有效驗(yàn)證的CFD方法對(duì)某敞篷車、硬頂車進(jìn)行外流場(chǎng)的仿真，對(duì)比流場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)敞篷車相對(duì)于硬頂車風(fēng)阻偏大的原因?yàn)樽搩?nèi)部形成的局部低壓區(qū)對(duì)周圍氣流較強(qiáng)的抽吸作用，使得在座艙內(nèi)部與后背區(qū)形成新的渦，增加氣動(dòng)阻力，而回流的氣流降低成員的舒適性;本文作者在保證敞篷車舒適性的前提下，為減小風(fēng)阻系數(shù)提出合理的優(yōu)化方案：提升后背高度、延長(zhǎng)擋風(fēng)玻璃并配合風(fēng)窗玻璃傾角在33°時(shí)，經(jīng)仿真驗(yàn)證可有效減少回流氣體及降阻達(dá)16%.

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Wang Jia. Research on aerodynamic drag characteristics optimization design of the notchback vehicle[D]. Shanghai: Tongji University， 2013:48-49. (in Chinese)

(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Flow Field Optimization of a Cabriolet Based on CFD Simulation

WANG Dong， YANG Song-zhi

(School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804, China)

Through simulating the aerodynamics characteristics of a cabriolet and coupe by using validate CFD method, the reason was found that the extensive separation zone in the cabin results in the back-flow air around the cabin, which not only decreased the driving comfort, but also increased the drag coefficient of cabriolet. By lengthening the upper brim of windshield at an appropriate distance, raising the height of seat back, keeping the angel of the windshield around 33° can effectively cut off the reversed flow, improve the driving comfort, reduce flow separation zone, low down the drag coefficient (16%) and ameliorate the flow field of the cabriolet.

CFD analysis; cabriolet; driving comfort; aerodynamic drag

2015-01-16

國(guó)家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA11A290)

王東(1972—)，男，副教授，E-mail:wangdong@#edu.cn.

U 461.1

A

1001-0645(2016)01-0031-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.006