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某模型車側(cè)窗表面非定常壓力場的數(shù)值模擬與風洞試驗研究

2018-05-24 03:26:40黃麗那李未孫冰寒藍志坤李俊
汽車實用技術(shù) 2018年2期
關鍵詞:側(cè)窗子域后視鏡

黃麗那,李未,孫冰寒,藍志坤,李俊

(1.長春大學汽車服務工程系,吉林 長春 130022;2.中車長春軌道客車股份有限公司海外項目部,吉林 長春 130000)

前言

汽車外后視鏡是暴露在空氣中的鈍體,擾動流場產(chǎn)生的湍流脈動壓力引起側(cè)窗的振動并向車內(nèi)輻射噪聲,嚴重影響人們乘坐舒適性,因此有必要準確模擬后視鏡下游處流場狀態(tài)。流場包括核心區(qū)域和近壁面區(qū)域,對于核心區(qū)域的模擬,已經(jīng)經(jīng)過了許多學者的論證[1,2],即基于完全湍流性建立起來的的高雷諾數(shù)模型k-ω和k-ε系列;那么對于近壁區(qū)域非完全湍流性模擬的精確度就顯得尤為重要。目前有兩種處理近壁區(qū)域流場的方法:低雷諾數(shù)k-ε模型直接求解法和壁面函數(shù)法[3]。本文選用典型的應用直接求解近壁區(qū)域方法的 k-ω SST模型和k-ε Realizable模型與壁面函數(shù)結(jié)合的方法研究模型比例模型,獲得后視鏡和側(cè)窗區(qū)域不同的近壁面網(wǎng)格,同時進行了風洞試驗,將外后視鏡引起的側(cè)窗表面脈動壓力和流動結(jié)構(gòu)與試驗進行對比,從而確定哪種近壁面網(wǎng)格在上述兩種方法中能得到較準確的流場。

業(yè)務能力評分標準:“理論扎實,動手能力強,善于分析和解決問題”為優(yōu)秀;“理論扎實,動手能力較強,較善于分析和解決問題”為良好;“理論基礎和動手能力一般”為合格;“理論基礎和動手能力差”為不合格。

富察氏淡淡一笑:“鬧不起來?在潛邸時就一個個烏眼雞似的,如今只怕鬧得更厲害吧?!彼藗€身,朝里頭睡了,“只是她們耐不住性子愛鬧,就由著她們鬧去吧?!?/p>

除了研究模型的復雜性和高密度的網(wǎng)格情況,還有受到A柱影響形成的旋轉(zhuǎn)渦內(nèi)和后視鏡尾渦區(qū)共同作用導致氣流的分離,使得流場具有非定常特性。為了有效的獲得后視鏡區(qū)域的瞬態(tài)流場信息,采用子域賦值法對該區(qū)域進行局部流場的瞬態(tài)計算,為進一步的氣動噪聲的研究提供基礎。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型比例模型和計算域

為了表達試驗段的流動狀態(tài),建立了某轎車模型和風洞計算域,如圖1所示,為了減少計算量將后視鏡側(cè)窗區(qū)域單獨截取出來構(gòu)成封閉的子域如圖2所示。

圖1 風洞計算域

圖2 模型車的全計算域、子域

1.2 計算網(wǎng)格

整車和風洞型計算域三角形面網(wǎng)格數(shù)量大約為170萬,網(wǎng)格大小為5mm。y+是描述近壁區(qū)域流場的無量綱值,壁面的y+值范圍分為:y+<5的粘性底層,30

表1 近壁面網(wǎng)格生成參數(shù)

圖3 網(wǎng)格邊界層截面圖

1.3 求解設置

為了觀察汽車周圍空氣的流動現(xiàn)象,采用流態(tài)顯示方法分析流動機理,將模型側(cè)窗表面區(qū)域放置光滑相紙,相紙上均勻涂抹懸濁液,懸濁液會在氣流的作用力下形成一定流場結(jié)構(gòu)顯示在相紙上。

2 風洞試驗

2.1 流態(tài)顯示試驗

本文中全域網(wǎng)格 1、全域網(wǎng)格 2分別選擇 k-ω SST和Realizable k-ε湍流模型進行穩(wěn)態(tài)計算,保證噴口處為30m/s的速度入口,無滑移壁面應用到車身表面、風洞模型各個表面,兩套全域網(wǎng)格的四種工況的穩(wěn)態(tài)計算耗時 20h,然后將較為準確的穩(wěn)態(tài)結(jié)果賦予子域進行瞬態(tài)LES計算,流體流過后視鏡所需的時間約為 0.006s,而流過子域所需的時間約為0. 02s,對子域采取了0.0001s時間步長,總計算時間0.5s,計算采集到充分的樣本數(shù)據(jù),花費36h完成計算。

圖 6是兩類網(wǎng)格分別在不同湍流模型下的油流顯示,y+<4的全域網(wǎng)格1能夠捕捉到再附著線,且圖6(1)后視鏡的尾渦區(qū)大小與試驗一致,而圖6(2)在車門位置沒能體現(xiàn)出氣流在后視鏡下方繞流形成的分離區(qū),推斷y+<4時的k-ω SST模型更準確。y+>30的全域網(wǎng)格2沒有顯示出A柱影響旋渦區(qū)的再附著線,圖6(3)相對圖6(4)的后視鏡尾渦更接近試驗,推斷y+>30時的k-ε Realizable更準確。

2.2 測壓試驗

如圖4所示在模型左側(cè)窗和車門表面上布置了45個壓力監(jiān)測點,點與點間隔 40mm,當氣流流經(jīng)模型,通過布置在其表面上壓力傳感器便可采集到壓力信號。

圖8可以看出試驗值更接近子域仿真得到的Cp值,但是仍存在監(jiān)測點不準確的區(qū)域,如位于后視鏡尾渦區(qū)和受A柱影響的旋轉(zhuǎn)渦區(qū):后視鏡尾渦區(qū)域點(圖9紅色編號點)通過LES仿真得到監(jiān)測點的壓力脈動幅度較大,判斷此處不僅僅被后視鏡尾渦影響還有A柱旋轉(zhuǎn)渦區(qū)的影響從而形成復雜流場;位于旋轉(zhuǎn)渦區(qū)的點(圖9黃色編號點),它們只受A柱位置旋轉(zhuǎn)斜向上的分離流影響,流場變化不如后視鏡尾渦區(qū)激烈,因此LES仿真是小幅度的壓力波動。試驗與仿真在特殊位置的 Cp存在偏差還由于二者采集數(shù)據(jù)的時間間隔分別是是1s和0.0001s。但是從另一個角度可以根據(jù)Cp值仿真出現(xiàn)的誤差現(xiàn)象可以推斷出流場的三大區(qū)域:后視鏡尾渦區(qū)、旋轉(zhuǎn)渦區(qū)和再附著區(qū)的位置,有利于分析流場結(jié)構(gòu)。

圖4 風洞測壓試驗監(jiān)測點布置

3 結(jié)果與討論

3.1 流態(tài)顯示

圖9橙色編號點表示0.05<σp<0.1范圍內(nèi)的監(jiān)測點,位于側(cè)窗上的再附著區(qū)以及側(cè)窗與車門交界處;圖9紅色編號點表示σp>0.1,由于受A柱旋轉(zhuǎn)渦區(qū)和后視鏡尾渦共同影響下壓力波動劇烈,其中點6、10、19、25位于再附著線附近;圖9黃色編號點的σp<0.05,由于受到A柱影響的分離流較為均勻平緩形成的旋轉(zhuǎn)渦區(qū),脈動壓力較小。

圖5 風洞流態(tài)顯示試驗結(jié)果

質(zhì)量是大修成敗的重要標準,在系統(tǒng)開車過程中,出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題,說明個別施工單位在質(zhì)量上重視不夠,個別人員在監(jiān)督上把關不嚴,為此,山西晉煤天源化工提出了“一定要嚴把質(zhì)量關,經(jīng)得起生產(chǎn)考驗”的大修要求。

圖6

3.2 表面壓力

全域兩套網(wǎng)格側(cè)窗與車門位置的各監(jiān)測點穩(wěn)態(tài)仿真的壓力系數(shù)Cp與風洞試驗Cp值之差表示為ΔCp,ΔCp越小則仿真越接近試驗。如圖7所示,全域網(wǎng)格1(y+<4)在k-ω SST湍流模型計算所得Cp比k-ε Realizable湍流模型更準確;而全域網(wǎng)格2(y+>30)得到相反的結(jié)果。這是由于k-ε Realizable模型根據(jù)對數(shù)區(qū)特點推導出壁面函數(shù),忽略粘性層的特點將近壁區(qū)域的物理量直接與湍流核心區(qū)聯(lián)系,因此不需要知道近壁區(qū)域在粘性底層的流動,用來模擬近壁面的邊界層不需要細化網(wǎng)格;而k-ω SST模型是典型的在近壁面區(qū)域采用低Re數(shù)k-ε模型直接計算,在湍流核心區(qū)又轉(zhuǎn)化為高Re數(shù)k-ε模型進行求解,能夠詳細模擬粘性層流動,因此需要劃分很薄的邊界層網(wǎng)格配合湍流模型求解近壁區(qū)域的流動。

最后,由于缺少相應的值班律師考評機制和被告人對值班律師法律幫助質(zhì)量的意見反饋機制,一旦值班律師怠于履行職責,被告人將無法獲得更換和補償,更無法獲得有效的救濟,有效辯護也就無從談起。[6]

將降雨量與日最大溫度與最小溫度作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入數(shù)據(jù),徑流量作為輸出數(shù)據(jù)。圖2是BP神經(jīng)網(wǎng)絡對洪號為20001009的這場洪水的模擬值與觀測值的對比圖。然后,通過模擬值與觀測值得到這場洪水徑流量的誤差序列,再將誤差序列作為ARIMA模型的輸入變量,得到誤差序列的預測值,并用于修正BP神經(jīng)網(wǎng)絡得到的模擬值。其修正后的預測結(jié)果如圖3所示。

式中, 為某監(jiān)測點在一段時間內(nèi)的平均壓力,pi為i時刻下該監(jiān)測點的瞬時壓力,σp越大,表示壓力脈動越大[5]。

圖8 子域LES計算結(jié)果

如圖5的風洞流態(tài)顯示試驗可以看到氣流在A柱之后發(fā)生分離,又在模型側(cè)窗表面上重新附著且再附著線清晰可見,位于側(cè)窗和車頂交界處出現(xiàn)斜向上后方的旋轉(zhuǎn)錐型渦。在后視鏡后方區(qū)域包括車門位置出現(xiàn)明顯的尾渦,尾渦的形成是由于后視鏡基座處空間變化將流經(jīng)的氣流加速,形成低壓區(qū)。占據(jù)側(cè)窗面積2/3油流相對整齊有序,形成了再附著區(qū)域,由于試驗中不可忽略重力的作用,車門上的油流有斜向下趨勢。旋轉(zhuǎn)渦區(qū)和尾流區(qū)是氣流分離區(qū)域,對于側(cè)窗上氣流的非定常特性占有主導地位[4],從而產(chǎn)生了作用在側(cè)窗上的表面脈動壓力。

圖9 子域在t=1.25s時刻表面流態(tài)顯示

4 結(jié)束語

采用風洞試驗和數(shù)值模擬的方法研究50%比例的模型轎車模型后視鏡、側(cè)窗區(qū)域外流場,得出結(jié)論如下:

子域的瞬態(tài)計算得到后視鏡尾部側(cè)窗表面上出現(xiàn)不同尺度的漩渦,定量分析側(cè)窗和門板的壓力脈動的大小,引入壓力系數(shù)標準差σp,如公式(1):

(1)通過與風洞試驗的對比發(fā)現(xiàn),根據(jù)y+值劃分網(wǎng)格,當首層網(wǎng)格節(jié)點處于粘性層范圍時使用k-ω SST湍流模型得到較好計算結(jié)果;當其處于對數(shù)域使用k-ε Realizable 計算較為準確。

(2)選用y+<5全域網(wǎng)格1截取關鍵區(qū)域進行子域的瞬態(tài)計算發(fā)現(xiàn),通過表面壓力系數(shù)結(jié)果判斷,子域LES計算得到平均流場與全域RANS計算得到流場可以相互驗證,且相比全域RANS模擬,再附著區(qū)內(nèi)的子域LES模擬更準確。

(3)對于側(cè)窗的分離區(qū),根據(jù)壓力系數(shù)標準差判斷,子域瞬態(tài)模擬能夠捕捉分離區(qū)流場的非定常特性。由A柱影響的旋轉(zhuǎn)渦區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點σp小于0.05,后視鏡的尾渦區(qū)內(nèi)監(jiān)測點壓力波動較為劇烈,且壓力波動最劇烈的位置即為再附著線附近,σp大于0.1,而再附著區(qū)監(jiān)測點σp在0.05與0.1之間,因此根據(jù)監(jiān)測點脈動壓力波動的大小明確流場結(jié)構(gòu),為后續(xù)的氣動噪聲研究提供基礎。

為了方便地討論問題,可以定義坐標系xoy:其坐標軸ox、oy的單位矢量在Cβ各處保持平行,如圖6中的紅色坐標系.平移一周后,坐標系xoy與平移前相比相差角度|B|.由于坐標系xoy與波前場分布固連在一起,所以可以用坐標系的旋轉(zhuǎn)角度表示場分布的旋轉(zhuǎn)角度.在坐標系xoy中觀察,場分布沒有轉(zhuǎn)動,相因子與(4)~(6)式中的Sn=ei(nθ+βl-ωt)相同.回到初始點后與平移前相比,因子Sn=ei(nθ+βl-ωt)的θ中會多出-B.

參考文獻

[1] MEBTER,F,Zonal Two Equation k-ω Turbulence Model for Aerodynamic Flows[J] AIAA93-2906(1993),pages196-206

[2] 熊超強,臧孟炎.低阻力汽車外流場的數(shù)值模擬及其誤差分析[J].汽車工程. 2012. Vol.34. No.1

[3] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京∶清華大學出版社,2004.

[4] Ye Li, Naohiko Kasaki,Evaluation of Wind Noise Sources Using experimental and Computational Methods[C].SAE Paper,No.2006-01-0343.

[5] Introduction of a New Realistic Generic Car Model for Aerodynamic Investigations[C].SAE Paper No.2012-01-0168.

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