侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究

crossw ind are conducted respect iv ely w ith bo th steady m e th od and dynam ic m ethod based on m oving m esh tech n ique , and the resu lts are compared to each other and w ith test one . T he resu lts show that sat is fy ing resu lts can be obta in ed w ith proper schem e of num erica l si m ulation and the g round boundary layer has sig nificant effect on si m ula ted results . For th e distribution of flow field , drag coeff ic ien, t lift force coeffic ien, t and side force coefficient under w eak crossw ind, th e results are in good ag reem ent w ith each other , but an apparent d iscrepancy can be found for sid e force coefficien t under strong crossw ind . K eyw ord s : veh icle aerodyna m ics ; crossw ind; steady num er ical sim ulation; dynam ic num erical si m u la tion; ground boundary layer effect 至发生侧翻。此外, 当今汽车轻量化在降低汽车燃 [ 2] 油消耗的同时 , 也增加了汽车的瞬态侧风敏感性 , 因此研究汽车在侧风作用下的气动特性随侧风作用 汽车空气动力学特性是汽车的重要性能 , 由于 自然风的普遍存在 , 汽车的气动特性经常受到侧风 的影响。侧风速度较低时, 会导致乘员的乘坐舒适 性降低 , 而当侧风速度较高或车辆高速行驶时, 汽车 容易在侧风的作用下偏离行驶方向。为了消除侧风 的影响 , 驾驶员须要连续调整转向盘 , 这会导致驾驶 员过早疲劳而增加行驶危险性
。为研究ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面边界层效应, 地面边界条件分为
固定壁面和移动壁面两种情况; 固定壁面各方向速
表 1 稳态侧风 、 va、 vw 和 v 的对应关系
/ ( ∃) va /m ! s- 1 vw /m ! s v /m ! s
- 1 - 1
0 30 0 30
3 30 1 57 30 04
6 30 3 15 30 17
3 动态数值模拟
动态数值模拟的计算域设置见图 2 , 计算域 总 高为 6 倍车高。计算域部分表面网格如图 5 所示。
的速度分布图。
图 5 动态数值模拟计算 网格
动网格采用基于动态层模型的网格更新方法。 当汽车向前运动时 , 计算域最后面的一层网格受到 拉伸, 厚度变大, 当厚度变为原来的 1 4 倍时 , 这一 层网格被划分为两层 , 分别等于原厚度和原厚度的 40% , 并依此规律进行拉伸。计算域最前面的一层 网格随汽车的运动厚度逐渐变小, 当其厚度减小到 原网格的 4% 时, 被合并到下一层 网格。这样依 靠 计算域前后两个边界上网格的压缩和拉伸实现整个 计算域网格的动态更新和汽车的向前运动。 计算域侧风入口速度取表 1 中的 vw 值 , 共计算 11 种工况。车身壁面速度由 UDF 程序指定, 沿 x 轴 负方向大小为 30m / s , 地面为固定壁面边界条件, 出 口为自由出流边界, 其它壁面为对称边界条件。 计算选用基于压力的非稳态耦合隐式求解器 , 湍流模型为 Rea lizab le k %模型 , 离散格式设置与稳 态计算相同 , 时间步长取 &t = 0 005s 。
, 极端情况下还会
引起安全问题, 例如车辆会被吹离它的行车路线甚
* 国家自然科学基金项目 ( 60222207) 和吉林大学 985 工程 项目资助。 原稿收到日期为 2009 年 3 月 16日 , 修改稿收到日期为 2009 年 7 月 6 日。
! 478!
汽
车
工
程
2010 年 ( 第 32卷 ) 第 6 期
( 3)
式中: 下标 i和 j 取值为 1 、 2 、 3; ! 为流体密度 ; u 为速 度时均值 ; u ∀ 为速度脉 动值; S 为源项 ; # 为扩散系 数。 对于随时间动态更新的计算域网格 , 关于普通
图 1 稳态研究方法示意图
标量的积分形式的守恒方程 为 d ! ∃ dV + V ! ∃ ( u - ug ) dA = V # dt V
W ang Fu liang , Hu X ingjun , Yang Bo & Fu Li m in
C ollege of Au tom otive Eng in eering, Jil in Universi ty, Chang chun 130022
[ Ab stract]
Three different nu m er ical si m ulat io ns on the exterior flow f ield around a car under th e effect of
[ 摘要 ]
分别采用稳态方法和基于动网格技 术的动 态方法 对侧风 作用下 的汽车外 流场进 行了 3 种情况 的数
值模拟 , 将 3 种模拟结果进行对比 , 同时将部分模拟结果 与试验值进行了对比。结果表明合理选用数值模拟 方案可 获得较满意的计算结果 ; 地面边界层对计算结果影响较大 ; 稳态方 法和动态方 法的流场 分布、 阻 力系数 和升力 系数 以及较弱侧风条件下的侧向 力系数有较好的一致性 , 强侧风条件下的侧向力系数 则差别较大。
稳态方法实现起来比较容易, 是一种常用的研 究方法 , 但是这种方法是基于相对运动原理, 车 身与气流之间的相互运动关系与实际汽车行驶中的 状态有差别。动态方法真实地表达了车身与气流之 间的相互运动关系, 与汽车实际行驶的状态相近, 因 此有必要将两种方法的研究结果进行对比 , 分析两 种结果的流场分布和气动力系数等的差异 , 评价各 自的特点, 为进行侧风研究时选用合理的研究方法 提供参考。 作者分别应用稳态和动态的数值计算方法对侧 风作用下的汽车气动特性进行研究。动态数值模拟 借助用户自 定义函数 ( user defined function , UDF ) 实现计算网格的动态更新, 解决流场计算中的动边 界问题 , 使车身壁面边界在流场中运动, 更真实地模 拟汽车行驶状况 , 求解汽车在运动过程中受到侧向 气流的作用这一瞬态过程。并将两种方法所得结果 进行对比, 对其差异和各自的特点进行评价。
9 30 4 75 30 37
12 30 6 37 30 67
15 30 8 04 31 06
18 30 9 75 31 54
21 30 11 51 32 13
24 30 13 36 32 84
27 30 15 29 33 67
30 30 17 32 34 64
图 6 为各横摆角下对应的稳态方法和动态方法
[ 1]
前言
而变化的规律 , 对于提高汽车的行驶安全性具有重 要意义。 根据研究中汽车 ( 或模型 ) 状态的不同, 侧风问 题的研究方法可分为稳态方法和动态方法 分别模拟车身的运动和侧风作用 的入口速度 ,
[ 4] [ 3]
。稳态
方法是指车辆固定不动, 用斜前方来流的两个分量 , 其原理如图 1 所示。图中 va 为车速, vw 为侧风速度 , v 为二者合成 为横 摆角。动态方法则是使车辆做
2010 年 ( 第 32 卷 ) 第 6 期
汽 车 工 程 A utomo tive Eng inee ring
2010( V o.l 32) N o . 6
2010099
侧风对轿车气动特性影响的稳态和 * 动态数值模拟对比研究
王夫亮, 胡兴军 , 杨 博 , 傅立敏
130022) ( 吉林大学汽车工程学院 , 长春
[ 5- 6]
图 3 稳态数值模拟计算域
1 控制方程
式 ( 1) ~ 式 ( 3) 为张量指标形式表示的流场控 制方程 , 即为时均连续方程、 Reyno ld s方程和标量 [ 7] 的时均输运方程 。 ! + (! ui ) = 0 t xi ( 1)
图 4 z = 0 截面和车身上表面的网格
计算选用基于压力的稳态耦合隐式求解器 , 湍 流模型为 Realizable k %模型 , 近壁区流场采用非平
关键词 : 汽车空气动力学; 侧风; 稳态数值模拟 ; 动态数值模拟 ; 地面边界层效应
A Study on the C omparison B et w een S teady and Dyna m ic N um erical S i m u lations of the C rossw ind E ffects on Car A erodyna m ic Characteristics
2010( V o . l 32) N o . 6
王夫亮 , 等 : 侧风对轿车气动特 性影响的稳态和动态数值模拟对比研究
! 479 !
衡壁面函数进行处理, 压力离散格式为 Standard ,动 量、 湍流动能和湍流耗散率离散格式为二阶迎风格 式
[ 8]
度为 0 ; 移动壁面速度沿 x 轴正方向大小为 30m / s, -1 其它方向速度为 0 。入口速度 v = 30 ( cos ) m / s, 根据 va = v cos 、 vw = v sin 可得 、 va、 vw 和 v 的对应 关系见表 1 。
4 计算结果对比
4 1 速度分布对比
图 6 各横摆角下 z = 0 截面和车身表面速度分布对比
! 480!
汽
车
工
程
2010 年 ( 第 32卷 ) 第 6 期
对于稳态模拟, 由于车身是静止的, 车身附近的 流场流速较低, 而远离车身的流场流速较高。对于 动态模拟, 流速分布刚好相反 , 由于车身是运动的 , 车身附近的气流由 于黏性的作用 随着汽车向前 运 动 , 远离车身区域的气流速度则较低。 没有侧风作用时 ( = 0∃) , 车身两侧的流场都呈 对称分布, 在车身后方形成两个很长的拖拽涡。随 着侧风作用的增强, 车身两侧的流场不再呈对称, 差 别越来越大 , 车身后部的拖拽涡也逐渐消失 , 变成形 状不规则的涡。另外, 还可看出对应的稳态和动态 情况下 , 车身周围流场中存在的涡的轮廓是非常相 近的, 不同的是在稳态情况下涡的中心区域速度最 低 , 越靠近涡的边缘气流速度越高。而动态情况下 涡的流速分布恰恰相反 , 中心区流速最高, 越向外流 速越低。分析认为原因在于车身尾部涡的中心区靠 近车身 , 涡流区的速度分布受车身表面速度的影响。 4 2 压力分布对比 图 7 为各横摆角下 z = 0 截面的静压力分 布对 比。稳态模拟结果和动态模拟结果基本上相同 , 说 明两种研究方法所得结果具有较好的一致性。 当没有侧风作用时 ( = 0∃), 车身左右两侧的压 力呈对称分布, 因此理论上车身所受到的侧向力应 为 0。当侧风作用增强时 , 左右压力分布不再对称 , 车身左侧 (迎风侧 ) 压力升高, 并且高压区位于车身 前部, 这样将会导致侧向力作用点前移, 使车身受到 横摆力矩的作用 , 并且横摆力矩的方向将使车头沿 侧风作用方向发生偏转 , 严重破坏汽车直线行驶能 力和行驶稳定性。 从图 7 中还可以看到随着侧风速度的增大 , 在 车身右侧的 A 柱和车身左侧的 C 柱区域出现 了越 来越显著的低压区 , 这是气流在这些部位发生分离 所导致的, 这两个低压区也会加剧横摆力矩对行驶 稳定性的影响。 4 3 气动力系数对比 4 3 1 数值模拟结果与试验值的对比 表 2 给出了无侧风 ( = 0∃) 条件下气动力系数 试验结果 和数值模拟结果的对比。由于在无侧风 条件下侧向力系数 CS 理论上应为 0 , 所以只给出了 表 2 无侧风条件下试验值与模拟值的对比
运动而研究侧面气流的作用, 其原理如图 2 所示, 汽 车以 va 行驶 , 车身一侧受到侧风 的作用, 图中 L 为 车长, W 为车宽。
t
(! ui ) +
xj
(! ui uj ) = -
ui p + ∀ - ! ui ∀ uj ∀ + S i x i xj xj ( 2)
(! uj ) (! ) + = # - !u j ∀ ∀ + S t xj xj xj
[ 8]
#
#
#
∃ d A + V S∃ dV ( 4)
#
式中: ∃ 为普通标量; u 为流体的速度矢量 ; ug 为网 格的移动 速度矢量; A 为网格 的移动面 积矢量 ; S∃ 为 ∃ 的源项。
图 2 动态研究方法示意图
2 稳态数值模拟
稳态数值模拟计算域如图 3 所示。长为 11 L, 其 中出口距车身尾部为 8L, 宽为 9 W, 高为 6 倍车高。 采用混合网格划分方案, 车身周围区域内为多面体 网格, 车身表面为拉伸棱柱体网格, 计算域的其它区 域采用六面体网格进行划分, 图 4 为 z = 0 截面和车 身表面的计算网格。