摘要

駕駛員通過(guò)附加在車輛側(cè)邊的后視鏡可以清楚看到車輛的后方。當(dāng)車輛行駛時(shí)，外后視鏡周圍的流場(chǎng)是高度三維的、非定常的、分離的和湍流的，這是氣動(dòng)噪聲的一個(gè)重要來(lái)源，也是車輛上的總阻力的貢獻(xiàn)因素 。而在所有對(duì)外后視鏡周圍流場(chǎng)的研究中，采用了不同的安裝環(huán)境。 在大多數(shù)研究中，外后視鏡都是安裝在量產(chǎn)車上，呈現(xiàn)真實(shí)情況，也可以安裝在風(fēng)洞地面、專門設(shè)計(jì)的工作臺(tái)或基于SAE車型的通用車型上。但外后視鏡周圍的流場(chǎng)與安裝環(huán)境的關(guān)系不是很清楚 。

將開源汽車模型DrivAer用作基準(zhǔn)工況。同時(shí)，將DrivAer車型的外部后視鏡也安裝在SAE車型以及一個(gè)設(shè)計(jì)的桌子上，加上單一的鏡子一同作為對(duì)比工況。 采用RANS-LES混合方法(DES)對(duì)汽車外后視鏡周圍的時(shí)間平均流場(chǎng)和非定常流場(chǎng)進(jìn)行了研究。當(dāng)外部后視鏡安裝在真實(shí)的汽車模型上時(shí)，迎風(fēng)氣流被加速和偏轉(zhuǎn)。  旋渦脫落存在于近尾跡，遠(yuǎn)尾跡形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。 在其他三種對(duì)比情況下，時(shí)間平均流場(chǎng)和非定常流場(chǎng)都是不同的。 并分析了安裝環(huán)境對(duì)外后視鏡周圍流場(chǎng)的影響。

引言

汽車外后視鏡是汽車最重要的附加設(shè)備之一。 它的主要功能是允許司機(jī)清楚地看到車輛的后方。在未來(lái)幾年里，傳統(tǒng)的反光鏡將是用于后視的主要方法，而世界上的汽車法律都不允許使用光電系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反光鏡。

外后視鏡周圍的流場(chǎng)具有高度三維、非定常、分離和湍流的特點(diǎn)。眾所周知，典型量產(chǎn)車的外后視鏡尾跡的非定常流場(chǎng)是氣動(dòng)噪聲的重要來(lái)源，也是車輛總阻力的貢獻(xiàn)因素。研究表明，外后視鏡尾跡的非定常流場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致后視鏡玻璃的振動(dòng)，從而影響外后視鏡的有效后視鏡視野。

外后視鏡周圍的尾流結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。 在早期尾流中，沿鏡殼上下邊緣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)交替的渦，在下游也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似于尖渦的渦包。研究表明，在鏡面跨度的一半距離范圍內(nèi)，出現(xiàn)了再循環(huán)區(qū)域，并且固有渦旋以19.6 Hz的頻率脫落 ， 同時(shí)也表明形成了錐形包絡(luò)。

而在所有對(duì)外后視鏡周圍流場(chǎng)的研究中，采用了不同的安裝環(huán)境。 研究人員對(duì)安裝在一輛生產(chǎn)車上的外后視鏡周圍的尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)在開路風(fēng)洞中進(jìn)行，利用熱線風(fēng)速儀和二維激光多普勒測(cè)速儀捕捉尾流結(jié)構(gòu)。這種安裝環(huán)境是最精確的，也是最貴的，它需要一個(gè)全尺寸的風(fēng)洞。 在較小的風(fēng)洞中，實(shí)驗(yàn)在地面上安裝了一個(gè)真實(shí)的外部后視鏡，研究人員測(cè)量了安裝在風(fēng)洞地面上的一個(gè)全尺寸側(cè)鏡周圍的壓力場(chǎng) 。通用汽車公司對(duì)安裝在小型風(fēng)洞地面上的兩個(gè)外后視鏡后的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了表征實(shí)驗(yàn)，采用PIV和動(dòng)壓系統(tǒng)。當(dāng)側(cè)鏡安裝在地面上時(shí)，地面的邊界層會(huì)影響鏡周圍的流場(chǎng)。 為了避免風(fēng)洞地板上有明顯的流動(dòng)邊界層，以及方便安裝流量和噪音測(cè)量?jī)x器，該反射鏡被安裝在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的工作臺(tái)上。用安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段中部的實(shí)尺寸反射鏡和安裝夾具對(duì)車體架相互作用引起的噪聲增大進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用基于SAE 4型(邊后衛(wèi))的通用車型對(duì)A柱和側(cè)鏡氣流引起的風(fēng)噪聲進(jìn)行了研究 。側(cè)鏡安裝在一個(gè)全尺寸的SAE模型上。通用模型足夠簡(jiǎn)單，可以排除多余的偏差，保持與車身的相互作用。

外后視鏡周圍流場(chǎng)與安裝環(huán)境有關(guān)。 本文的目的是研究安裝環(huán)境對(duì)汽車外后視鏡周圍流場(chǎng)的影響。 本文將外后視鏡分別安裝在量產(chǎn)車型、SAE車型、特殊設(shè)計(jì)的工作臺(tái)和無(wú)后視鏡車型上。采用RANS-LES混合方法(DES)對(duì)汽車外后視鏡周圍的時(shí)間平均流場(chǎng)和非定常流場(chǎng)進(jìn)行了研究。

模型設(shè)置

基準(zhǔn)模型

引入了一種新的通用DrivAer模型，以縮小高度簡(jiǎn)化模型和高度復(fù)雜的量產(chǎn)車之間的差距。 它由三種汽車配置組成，即階背, 快背和斜背，如圖1所示。 每一種配置都有幾種變體，如有或沒(méi)有鏡子和車輪，有或沒(méi)有光滑和詳細(xì)的底盤。CAD幾何圖形可供研究人員使用，并已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。  目前的研究重點(diǎn)是圍繞前側(cè)窗的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。帶有側(cè)鏡和車輪的斜背式駕駛員模型被選為基線模型。使用沒(méi)有詳細(xì)的特征的底盤和固定的地板。

圖 1 . DriAer 模型不同車型

對(duì)比模型

本研究選擇了三個(gè)對(duì)比模型，分別是SAE模型、特別設(shè)計(jì)的桌子和單一鏡體模型，如圖2所示。對(duì)比模型中使用DrivAer模型的鏡體。對(duì)于SAE車型，鏡子安裝在SAE 4型車型上，其位置參考先前的研究 。對(duì)于桌子模型，鏡子垂直安裝在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的桌子上，桌子的邊緣需要空氣動(dòng)力學(xué)形狀，以減少或消除非鏡子相關(guān)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。最后一個(gè)對(duì)比模型是一個(gè)只有鏡子的模型，它是懸在空中，沒(méi)有任何近體。為了簡(jiǎn)化模型并節(jié)省計(jì)算資源，我們?nèi)サ袅怂械闹С纸M件。 

圖 2. 對(duì)比模型：SAE, 桌子, 單一后視鏡

計(jì)算設(shè)置

湍流模型方法

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是目前汽車行業(yè)最重要的設(shè)計(jì)工具之一。 計(jì)算資源和商業(yè)軟件現(xiàn)在都足夠成熟，可以處理汽車設(shè)計(jì)中常見的復(fù)雜幾何圖形。 一般來(lái)說(shuō)，在移動(dòng)汽車周圍的流場(chǎng)中可以區(qū)分兩種類型的流動(dòng)分離。首先，氣流可以在引擎蓋的前緣、擋泥板的兩側(cè)、擋風(fēng)玻璃的前部和車輛的后部等邊緣分離。 第二種分離是圍繞A柱和C柱的三維分離。研究表明，DES在力系數(shù)、壓力系數(shù)分布和三維流動(dòng)特征捕獲方面比RANS模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本研究選擇DES模型。

DES是一種RANS-LES混合方法，它試圖通過(guò)只在RANS模型具有挑戰(zhàn)性的流動(dòng)區(qū)域使用LES，在準(zhǔn)確性和計(jì)算費(fèi)用之間提供一個(gè)折衷方案(例如分離流)，但是在其他地方使用RANS模型。本文使用的時(shí)變IDDES(基于SST模型)增加了附加功能來(lái)屏蔽附加RANS邊界層從LES模式的不正確激活，以及墻模型LES能力，允許邊界層的一些被LES解析，并快速過(guò)渡到已解析的湍流。本文的所有模擬都采用了相同的湍流建模方法。

計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件

計(jì)算域大小為11L (L為汽車長(zhǎng)度)×11W (W為汽車寬度)× 8H (H為汽車高度)，域和汽車示意圖如圖3所示。在域的開始處(車上游4L處)設(shè)置速度入口條件，流速U = 40ms?1(基于L = 1.85, Re = 4.71×106)。 進(jìn)口邊界的湍流用強(qiáng)度和粘度比分別為1%和20來(lái)表示。在汽車尾部下游6L處施加0表壓的壓力出口條件。區(qū)域的各側(cè)壁和頂壁均施加滑移壁條件 。地板設(shè)置為無(wú)旋轉(zhuǎn)車輪的防滑狀態(tài)，以匹配實(shí)驗(yàn)非地面模擬情況。車輛和反射鏡的表面也采用了防滑壁邊界條件。 

圖 3. DriAer計(jì)算域尺寸

圖 4. 用于DES計(jì)算的DrivAer前窗區(qū)域以及尾部區(qū)域的網(wǎng)格

表 1. 網(wǎng)格類型以及分辨率

計(jì)算網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是切邊體，它在邊界處包含棱柱層，在域的其余部分是一個(gè)完美的六面體網(wǎng)格，通過(guò)剪切將棱柱層與六面體網(wǎng)格連接。 所得到的網(wǎng)格主要由六面體單元組成，在其表面旁邊有修剪過(guò)的單元。 切邊體是多面體，但通?？梢员蛔R(shí)別為有一個(gè)或多個(gè)角和/或邊被切斷的六面體細(xì)胞。 初始的曲面網(wǎng)格是三邊的，最終的曲面網(wǎng)格幾乎是四邊形的，這是體積單元的投影。 棱柱層也是六面體，其向核心細(xì)胞的轉(zhuǎn)變受體積生長(zhǎng)速率的控制。如圖4，生成的用于DES計(jì)算的三種網(wǎng)格，相關(guān)細(xì)節(jié)如表1。每個(gè)網(wǎng)格在邊界層中被細(xì)化，以允許運(yùn)輸方程在墻壁的整合，因此確保在汽車上無(wú)量綱墻壁距離，y+ < 1。近壁網(wǎng)格有20個(gè)棱柱層單元，以確保邊界層被很好地捕獲。細(xì)化區(qū)域圍繞前側(cè)窗和汽車后部。所有對(duì)比情況均采用裁剪網(wǎng)格策略，并在后視鏡區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。 

數(shù)值驗(yàn)證

參考已發(fā)表論文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證。阻力系數(shù)的結(jié)果見表2，壓力系數(shù)見圖5、6和7.  網(wǎng)格敏感性研究表明，從粗到細(xì)，Cd呈不斷增加的趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均百分比差異均小于3%。 圖5、圖6、圖7三種網(wǎng)格的壓力系數(shù)線基本重合，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近。 湍流粘度比vt/v可以被認(rèn)為是SGS(模擬湍流)對(duì)整體耗散水平貢獻(xiàn)的度量。 這個(gè)值隨著網(wǎng)格細(xì)化而減小，如圖8所示。 中間網(wǎng)格箱的湍流黏度比在前窗區(qū)域小于20，足以進(jìn)行本研究。本文所有模擬均采用中間網(wǎng)格方案。

表 2.  每個(gè)網(wǎng)格的阻力系數(shù)以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均差異百分比。

圖 5. 每種網(wǎng)格斜背車頂部平均壓力系數(shù)

圖 6. 每種網(wǎng)格斜背車底部平均壓力系數(shù)

圖 7. 每種網(wǎng)格斜背車側(cè)面平均壓力系數(shù)

圖 8.  三種網(wǎng)格前窗區(qū)湍流黏度比

結(jié)果

坐標(biāo)系

為了描述外后視鏡周圍的流場(chǎng)并比較不同情況，建立了如圖9所示的坐標(biāo)系。最初的點(diǎn)被設(shè)置在鏡子的中央和后面。后處理分為X、Y、z平面的點(diǎn)、線、面。

圖 9. 用于分析的坐標(biāo)系

DrivAer模型

時(shí)均流場(chǎng)

迎風(fēng)氣流

如圖10所示，進(jìn)近流在z面和y面都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。 遠(yuǎn)近流的u-速度大于自由流的u-速度，在靠近反射鏡處減小，在反射鏡邊緣處加速，如圖11和13所示。迎風(fēng)氣流遠(yuǎn)離鏡在z面偏離車身，在y面向下俯仰，如圖12，14所示。偏斜和加速都表明著A柱渦的存在。前側(cè)窗附近的流場(chǎng)主要由A柱渦和外后視鏡決定。反射鏡的堵塞效應(yīng)會(huì)引起反射鏡周圍的流動(dòng)偏轉(zhuǎn)和加速，并產(chǎn)生與車身相互作用的尾流。

圖 10.  z=0和y=0平面的平均迎風(fēng)流動(dòng):速度矢量和速度大小著色的流線

圖 11.  z=0平面上的無(wú)量綱平均速度u(y * = y/D)

圖 12.  z=0平面沿直線的平均偏航角(y * = y/D)

圖 13.  在y=0平面上沿直線的無(wú)維平均u速度(z * = z/D)

圖 14.  y=0平面上直線的平均俯仰角(z * = z/D)

尾流

時(shí)間平均尾流結(jié)構(gòu)如圖15所示。 鏡面尾跡與有限長(zhǎng)度圓柱的尾跡很像但不一樣，其長(zhǎng)度為1.5D (D為鏡面特征長(zhǎng)度，定義為鏡面垂直方向的長(zhǎng)度)。 在y面捕獲到一對(duì)非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，在z面捕獲到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。 與有限長(zhǎng)度圓柱相比，反射鏡與進(jìn)流的夾角較小，且在反射鏡邊緣呈流線型，導(dǎo)致了較大的尾流區(qū)域和延遲的下洗流。

圖 15.  z=0和y=0平面的平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和以速度大小著色的流線

如圖16所示，沿x方向在平均尾流中形成了兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。 下游以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主，認(rèn)為這是A柱渦旋和下沖流共同作用的結(jié)果。 

圖 16. DrivAer模型在X平面平均流動(dòng)結(jié)構(gòu)：速度矢量和以速度大小著色的流線(x * = x/D)

瞬時(shí)流場(chǎng)

分別記錄在三條直線上的6個(gè)點(diǎn)上的瞬時(shí)速度u，如圖17所示。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，以2千赫的采樣率獲得1850個(gè)速度數(shù)據(jù)。采用快速傅里葉變換(FFT)算法計(jì)算速度u的功率譜密度函數(shù)Eu、或兩個(gè)同時(shí)捕獲的速度信號(hào)之間的譜相位Φ。

尾跡中捕獲的特征無(wú)量綱頻率約為0.2，接近二維圓柱體測(cè)量的渦脫落的斯特勞哈爾數(shù)，大于有限長(zhǎng)圓柱體測(cè)量的斯特勞哈爾數(shù)。圖18和圖19中結(jié)果顯示證實(shí)了在尾流下游存在交替的渦脫落。細(xì)節(jié)如圖20所示，在近尾跡處有一個(gè)較大且相對(duì)穩(wěn)定的剪切層。

圖 17.  鏡面尾跡測(cè)得u速度的功率譜密度函數(shù)

圖 18.  在鏡面尾跡測(cè)得的兩點(diǎn)速度u之間的互譜密度函數(shù)。

圖 19. 后視鏡尾流兩測(cè)量點(diǎn)速度信號(hào)之間的譜相位Φ

圖 20.  DrivAer模型由壓力系數(shù)著色 的瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)

對(duì)比模型

圖21為對(duì)比模型的外后視鏡區(qū)域湍流粘度比。 如上所述，它可以被認(rèn)為是足夠的調(diào)查。 由于安裝環(huán)境的不同，表3所示的鏡前區(qū)域有一些差異。 而外后視鏡安裝的阻力和Cd最大，其次是SAE車型。

圖 21.  對(duì)比模型后視鏡區(qū)域湍流黏度比

表 3. 對(duì)比模型后視鏡阻力、前臉面積以及阻力系數(shù)

時(shí)間平均流場(chǎng)

迎風(fēng)氣流

從圖22、24、25和27可以看出，安裝在桌面的模型和只安裝了鏡面的模型在Z和Y平面上幾乎都沒(méi)有迎風(fēng)流動(dòng)。SAE安裝模型與DrivAer模型有相似的迎風(fēng)流動(dòng)。盡管SAE安裝模型迎風(fēng)流動(dòng)與DrivAer模型類似， 偏移和加速的大小還是有區(qū)別的。

圖 22.  對(duì)比模型z=0平面的平均迎風(fēng)流動(dòng):速度矢量和速度大小著色的流線

圖 23.  對(duì)比模型沿z=0平面線的無(wú)量綱平均速度u(y * = y/D)

圖 24. 對(duì)比模型沿z=0平面的線的平均偏航角(y?= y / D)

圖 25.  對(duì)比模型沿y=0平面線的平均迎風(fēng)流動(dòng):速度矢量和流線著色速度大小

圖 26.  對(duì)比模型沿y=0平面線的無(wú)量綱平均速度u(z * = z/D)

圖 27. 對(duì)比模型沿y=0平面線平均俯仰角(z*=z/D)

尾流

與迎風(fēng)流動(dòng)類似， DrivAer和SAE安裝的模型具有相同的時(shí)間平均尾流結(jié)構(gòu)，但在細(xì)節(jié)上有一些差異，如圖28和圖29所示。 安裝在桌面的模型的平均尾流完全不同，增大的尾流區(qū)在z=0平面和y=0平面分別包含一個(gè)主導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)流。單一后視鏡模型在y=0面和z=0面有一對(duì)不對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流，這與安裝DrivAer模型不同。

圖30為SAE模型x平面平均尾流結(jié)構(gòu)。 與圖16相比，與DrivAer模型相似，SAE模型在下游尾流中以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流動(dòng)為主。安裝在桌面的模型的尾流結(jié)構(gòu)具有一對(duì)近似于有限圓柱尾流的對(duì)稱反向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖31所示。單一后視鏡模型的尾流流型非常復(fù)雜，有三種以上的旋轉(zhuǎn)流，這被認(rèn)為是由于鏡和支板形狀不規(guī)則造成的。

圖 28.  對(duì)比模型z=0平面的平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和速度大小著色的流線

圖 29.  對(duì)比模型y=0平面的平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和速度大小著色的流線

圖 30.  SAE模型x平面平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和速度大小著色的流線(x * = x/D )

圖 31.  安裝在桌面的模型的x平面平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和速度大小著色的流線(x * = x/D)

圖 32.  單一后視鏡模型的x平面平均尾流結(jié)構(gòu):速度矢量和速度大小著色的流線(x * = x/D)

瞬時(shí)流場(chǎng)

從圖33、34、35和36可以看出，所有對(duì)比車型的外后視鏡瞬時(shí)尾跡中都存在無(wú)量綱特征頻率。 除SAE模型的無(wú)量綱特征頻率為0.176外，其余特征頻率均接近0.2。圖36中，單一后視鏡模型中P6以及Q6點(diǎn)的速度u的普相位小于π，這意味著渦旋脫落與其他三種模型不一樣。圖37直觀地顯示了瞬時(shí)尾流，其中DrivAer模型和SAE模型的流動(dòng)結(jié)構(gòu)近似， 安裝在桌面的模型的下游尾流剪切層增大和渦脫落，而mirror-only模型的流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則。

圖 33. DrivAer模型中P、Q線上點(diǎn)速度u的互譜密度函數(shù)以及P6、Q6點(diǎn)速度的譜相位

圖 34. SAE模型中P、Q線上點(diǎn)速度u的互譜密度函數(shù)以及P6、Q6點(diǎn)速度的譜相位

圖 35. 安裝在桌面的模型中P、Q線上點(diǎn)速度u的互譜密度函數(shù)以及P6、Q6點(diǎn)速度的譜相位

圖 36. 單一后視鏡模型中P、Q線上點(diǎn)速度u的互譜密度函數(shù)以及P6、Q6點(diǎn)速度的譜相位

圖 37.  對(duì)比模型用壓力系數(shù)著色的瞬時(shí)渦旋結(jié)構(gòu)

結(jié)論

采用RANS-LES混合方法(DES)對(duì)汽車周圍流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 氣動(dòng)阻力和壓力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。 詳細(xì)分析了后視鏡周圍的流場(chǎng)。結(jié)果表明，該方法具有良好的氣動(dòng)和氣動(dòng)聲學(xué)效果。

然后，研究了安裝環(huán)境對(duì)后視鏡周圍氣流的影響。 結(jié)果表明，DrivAer車型的外后視鏡周圍流場(chǎng)與其他三種對(duì)比車型不同: SAE模型、安裝在桌面的模型和單一后視鏡模型。在量產(chǎn)車工況(DrivAer模型)下，后視鏡靠近流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和加速，認(rèn)為這是受A柱渦的影響。鏡面尾跡中存在與二維圓柱體斯特勞哈爾數(shù)相等的旋渦脫落現(xiàn)象。在所有對(duì)比模型中，SAE模型的外后視鏡周圍流場(chǎng)與DrivAer模型的流場(chǎng)最相似，且尾流中渦脫落頻率較小。  對(duì)于安裝在桌面的模型和單一后視鏡模型，外后視鏡周圍的流場(chǎng)與量產(chǎn)車完全不同。 本研究提出研究建議:研究外后視鏡周圍流場(chǎng)時(shí)，應(yīng)將后視鏡安裝在量產(chǎn)車(或類似量產(chǎn)車的車型)上，SAE車型可作為備選方案。

文章來(lái)源：Yuan H, Yang Z, Li Q. Effects of installation environment on flow around rear view mirror[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 2017, 10(2017-01-1517): 580-590.