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有剪切的側(cè)風流對汽車空氣動力學的影響

2022-02-21 22:36:33·  來源：AutoAero  
　
摘要在風洞中，風對車輛的空氣動力學特性的影響是通過車輛偏航來模擬的，其中風速在高度上保持恒定。但實際上，自然風是一種層流，層與層間存在剪切，風速隨高度
摘要
在風洞中，風對車輛的空氣動力學特性的影響是通過車輛偏航來模擬的，其中風速在高度上保持恒定。但實際上，自然風是一種層流，層與層間存在剪切，風速隨高度而變化。本文進行CFD 模擬來比較快背式和方背式DrivAer 模型受到側(cè)風時的空氣動力學特性，其中偏航模擬是在10°的偏航角下進行的。結果表明，當汽車高度上側(cè)風的質(zhì)量流相似時，汽車在兩種情況下承受幾乎相同的力和力矩。
1.簡介
汽車受側(cè)風時的空氣動力學特性只能在實驗或虛擬仿真中近似模擬，這主要是因為使用穩(wěn)態(tài)技術來研究本質(zhì)上的瞬態(tài)事件。在風洞中，側(cè)風的影響是通過設置車輛對氣流的偏航角來表示的，CFD也通常模擬這種安排。兩種方法都模擬了一輛行駛在有側(cè)風的開闊道路上的汽車，其中風速不隨高度變化。但在現(xiàn)實中，側(cè)風中行駛的車輛位于地球大氣邊界層的最低區(qū)域，在這種剪切流中，速度在地面上為零，并隨著離地面高度的增加而增加，因此局部偏航角和合成速度都隨著汽車高度的增加而增加。
風洞和CFD模擬也采用穩(wěn)定、低湍流的風輸入，而自然風可能是高度不穩(wěn)定的，并且可能包括顯著的湍流水平，如圖1所示。在本文中，僅研究圖1中間的情況所示的剪切流動。
然而，與汽車相關的地面以上高度（即小于2m）的自然風特性信息極其有限，可用數(shù)據(jù)是從更高（一般為10m）的建筑和風力渦輪機獲得的數(shù)據(jù)推斷出來的，自然風速Uz與地面高度z的關系如下所示：
（1）式中，U10是10m處的風速，指數(shù)α取決于地形，表1給出了不同地形的典型α值。（ZG是每個地形的大氣邊界層的深度）
2.網(wǎng)格和邊界條件
DrivAer 模型具有一系列可互換的后端幾何形狀，因此，研究了剪切對快背和方背車輛類型的影響，模型的主要尺寸見表 2，并采用光滑的底部和封閉的發(fā)動機艙以降低計算成本。
模型放置在距離主、次進口分別為5L（Length=4.613m）和6L的計算域中，計算域尺寸為x=18L, y=13L, z=3L，底面設置為滑移，如圖2所示。車身表面大部分采用了尺寸為0.001L的網(wǎng)格單元，但在某些位置需要較小的尺寸為0.0001L的網(wǎng)格單元，以保證諸如A柱和C柱等彎曲部件表面的質(zhì)量。因此，快背式和方背式模型的面網(wǎng)格總數(shù)分別為2.7M和2.8M。邊界層總厚度為0.001L，層數(shù)為8。整個曲面上的無量綱近壁間距值y+<1可確保邊界層得到解析，而不是使用壁函數(shù)建模。
車身表面附近體網(wǎng)格大小為0.002L，該區(qū)域向車身下方延伸0.5L，向車身背風側(cè)延伸0.3L，以捕捉偏航尾流。外層加密域向車身下方延伸2.7L，向車身背風面延伸1L，體網(wǎng)格單元最大尺寸為0.14L,兩套網(wǎng)格的體網(wǎng)格總數(shù)約為69M。體網(wǎng)格如圖3和圖4所示。

在兩個入口處，速度分量Uv固定為27.8m/s，對于非剪切模擬，Uw速度分量取值為4.9m/s，沿Y軸正方向，故產(chǎn)生大約10°的偏航角和Ur=28.23m/s 的合成速度。對于剪切模擬，Uw速度分量采用圖5中所示的曲線（該曲線由公式1計算得出），并假設車輛高度上的質(zhì)量流量與未剪切情況中的質(zhì)量流量相同。指數(shù)α=0.16 表示開放、平滑的地形（見表1）。

還可以算出某一高度下的平均速度UWM：


其中UWH是高度H處的風速，剪切剖面上出現(xiàn)該速度的高度z由下式給出：

從而可求得，無剪切時的速度是剪切時最大速度（車頂速度）的0.862倍，即是汽車高度的39.5%處的速度。
3.仿真方法
選擇分離流不可壓半隱式的基于壓力的有限體積求解器，所有模擬采用混合二階迎風/有界中心差分對流求解方案，使用IDDES 湍流模型。二階時間方案減小了速度的數(shù)值耗散；1×10-4s的時間步長確保了LES區(qū)域內(nèi)的庫朗數(shù)低于1；每個時間步五次內(nèi)部迭代確保殘差的一致收斂。所有CFD模擬均使用CD-Adapco的 Star-CCM+軟件v10.04.009版本進行。
在使用DES 方法計算1秒或6個對流單元的穩(wěn)定周期之前，使用穩(wěn)態(tài)RANS解算器初始化所有模擬。然后模擬運行2秒 (12個對流流動單元)，在此期間對流場進行平均。理想情況下，這種平均間隔應該更長，但本研究中的模擬次數(shù)多，且計算資源有限。在英國HPC-Midland設備的320個核心上并行運行三秒大約需要五十八個小時。
4.結果
表 3(a) 和表 3(b) 分別給出了快背式和方背式的力系數(shù)結果，并與0°偏航（即無側(cè)風輸入）時的數(shù)據(jù)進行了比較。
在10°偏航角下，有剪切與無剪切除升力系數(shù)外的力系數(shù)在所有情況下都變化不大，但沒有明顯的變化趨勢，在剪切流中，快背車的阻力和側(cè)向力略有增加，而方背車則相反。圖6、7和8分別給出了阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和升力系數(shù)在快背車和方背車上的分布。








阻力分布顯示在車身高度上，而側(cè)向力和升力分布顯示在車身長度上。將偏航時的阻力和升力數(shù)據(jù)與零偏航情況進行比較，可以看到阻力雖有很大起伏，但無論是否偏航，分布的趨勢保持不變；升力分布也是如此。
在所有情況下，剪切和未剪切交叉流之間的局部載荷差異可忽略不計。由于在均勻流動或剪切流動中側(cè)向力沿X軸分布相似，兩種情況下的偏航力矩基本上相同。
5.討論
5.1平均阻力
氣動阻力強烈依賴于偏航角，偏航角受風速大小和方向影響。為了計算平均風阻系數(shù)，假設側(cè)風方向相同，速度剖面由公式（1）給出，故相同質(zhì)量流量時，剪切流速與等效平均流速相等處的高度與總高度的比值為一定值。對于此處研究的剪切流，α=0.16，高度比為0.395，如圖5所示。將α增加到0.40，高度比僅增加到0.431。此結果表明，在約40%車輛高度處的速度相當于剪切流的平均速度，此高度大約在0.55至0.75m，一般為0.6m。
5.2阻力分布
圖 6(a) 和 6(b) 中的阻力分布表明，偏航時的剪切和非剪切分布基本相同，整體阻力系數(shù)也是如此。阻力在車頭產(chǎn)生，但會在發(fā)動機罩后部和車頂前緣產(chǎn)生局部負壓區(qū)。圖9（a）和圖9（b）分別給出了快背式和方背式車身的前端和后端阻力分布。實線為前端阻力，虛線為后端阻力。

比較圖9和圖6，可以看出，在車身高度上發(fā)生的局部阻力變化大部分在前端。相比之下，后部阻力系數(shù)分布相對均勻。兩種車身的前端阻力曲線形狀幾乎相同，因為這是一種常見的前端形狀，但有趣的是偏航與無偏航情況也相同。這表明，低偏航角時的阻力增加主要是由于后端阻力增加。
5.3升力和側(cè)向力分布
圖7所示的升力分布表明，升力在偏航時增加，主要位于發(fā)動機罩和車頂后部，尤其是在車頂后緣和后尾門上方，車頂?shù)挠L邊緣可能會經(jīng)歷更高的速度。表3顯示，升力是受剪切影響最大的氣動特性，車輛后軸處升力系數(shù)增加超過0.02，當然，這種幅度的變化對駕駛員的影響可以忽略不計。
圖8的側(cè)向力分布顯示，側(cè)向力主要在車輛前部和擋風玻璃處產(chǎn)生，且不同工況差別不大。
5.4載荷相似性
圖10顯示了在剪切和均勻側(cè)風兩種情況下，快背車某橫截面內(nèi)的橫流速度等值線，橫流速度等值線位于擋風玻璃頂部，此處局部側(cè)向力和升力均較高。比較圖10(a)和圖10(b)可以看出車身表面速度分布幾乎相同，而遠離車身表面的速度分布則有很大不同。車身表面速度分布的相似性導致了表面壓力分布的相似性。
對于圖11所示的兩種情況，在相同的縱向位置（x=2.0m），車身周圍都會受到吸力的影響，偏航時在迎風側(cè)略有增加，但車頂基本不變，而背風側(cè)的A柱處產(chǎn)生了非常大的吸力增加。在局部載荷較高的位置，壓力分布相似，這也說明了為什么表3中剪切和未剪切工況的旋轉(zhuǎn)力矩幾乎相同。
5.5研究局限性和未來工作
所提供的數(shù)據(jù)似乎表明，當橫風中的質(zhì)量流在車輛高度上相同時，在剪切橫風流中的車輛上的力和力矩與均勻流基本相等。然而，這一結論仍然不夠嚴謹，因為只在兩種高度相同的車輛上得到了結果，模擬的汽車沒有內(nèi)部冷卻氣流，車身底部很光滑，且僅在一個偏航角和一個剪切流示例中獲得數(shù)據(jù)。
可以預計更高的SUV類型車輛將顯示出與方背式車輛相同的特性，但無法推斷其對MPV車型的影響，因為MPV車型具有不同的前部形狀。
這項有限的研究表明，對于考慮的兩種車輛，剪切的影響很小或幾乎沒有。未來應研究與汽車相關的任意偏航角度或者某范圍內(nèi)的影響，以及不同剪切流場；還應研究不同車型和更真實的車身形狀。
6.結論
通過CFD 模擬比較快背式和方背式DrivAer 模型在受到剪切和均勻側(cè)風時的空氣動力學特性。
結果表明，當汽車高度上側(cè)風中的質(zhì)量流相似時，汽車在兩種情況下承受幾乎相同的力和力矩，這種空氣動力學特性的相似性源于剪切橫流在接近車身時變得更加均勻。
文章來源：Howell, J., Forbes, D., Passmore, M., and Page, G., "The Effect of a Sheared Crosswind Flow on Car Aerodynamics," SAE Int.J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 10(1):2017, doi:10.4271/2017-01-1536.
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