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汽車(chē)數(shù)值風(fēng)洞的前世今生（中）

2018-02-26 11:52:35·  
　
引言從某種程度上來(lái)說(shuō)，所謂數(shù)值風(fēng)洞就是用數(shù)值計(jì)算來(lái)復(fù)現(xiàn)這些物理現(xiàn)象。為了清楚的說(shuō)明汽車(chē)風(fēng)阻的成因，必須要詳細(xì)的說(shuō)明粘性的作用、邊界層的發(fā)展等理論問(wèn)題。但是，蝸牛君只是一個(gè)不太嚴(yán)肅的工程人員，并且害怕長(zhǎng)篇大論會(huì)使得一些小伙伴放棄繼續(xù)閱讀。所以，希望仍然堅(jiān)持不使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言的原則，但是由此必定會(huì)引起一些錯(cuò)
引言
 
從某種程度上來(lái)說(shuō)，所謂數(shù)值風(fēng)洞就是用數(shù)值計(jì)算來(lái)復(fù)現(xiàn)這些物理現(xiàn)象。
 
為了清楚的說(shuō)明汽車(chē)風(fēng)阻的成因，必須要詳細(xì)的說(shuō)明“粘性”的作用、邊界層的發(fā)展等理論問(wèn)題。
但是，蝸牛君只是一個(gè)不太嚴(yán)肅的工程人員，并且害怕長(zhǎng)篇大論會(huì)使得一些小伙伴放棄繼續(xù)閱讀。
所以，希望仍然堅(jiān)持不使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言的原則，但是由此必定會(huì)引起一些錯(cuò)誤。
 
經(jīng)常被濫用的公式
首先，必須要說(shuō)一個(gè)經(jīng)常被濫用的公式——“伯努利方程”。
偉大伯努利方程（Bernoulli’s equation），將沿著流線(xiàn)的壓力和速度聯(lián)系在一起。在非粘流場(chǎng)中，沿著某一流線(xiàn)，靜壓和動(dòng)壓的和為常數(shù)。它指出，在局部速度高的位置會(huì)出現(xiàn)低壓力，反之亦然。
在非粘性流場(chǎng)中，將所有車(chē)身表面的X向壓力進(jìn)行積分，結(jié)果產(chǎn)生的阻力將為0。
此結(jié)果就是著名的達(dá)蘭貝爾悖論（Alembert's paradox），它表明在不可壓、非粘性二維流場(chǎng)中，不會(huì)產(chǎn)生阻力。
由于這種沒(méi)有切向力的流場(chǎng)產(chǎn)生的結(jié)果，明顯的與真實(shí)情況不同，它已經(jīng)被前輩們定義成為是不可信的理論了。
但是處理車(chē)輛周?chē)姆钦承粤鲌?chǎng)，仍然是非常有意義的。通過(guò)對(duì)比車(chē)輛周?chē)恼鎸?shí)流場(chǎng)（既粘性流體流場(chǎng)）和理想流場(chǎng)（既無(wú)粘性介質(zhì)的流場(chǎng)）之間的區(qū)別，可以對(duì)產(chǎn)生風(fēng)阻的物理機(jī)理，進(jìn)行很好的解釋。
 
粘性都對(duì)流場(chǎng)做了什么？
還記得上一期，我們提到的真實(shí)汽車(chē)外流場(chǎng)的關(guān)鍵詞嗎？
 
沒(méi)錯(cuò)，在沒(méi)有粘性的世界里，氣流會(huì)永遠(yuǎn)附著在固體表面運(yùn)動(dòng)。正是“粘性”的出現(xiàn)，導(dǎo)致了氣流分離現(xiàn)象。
氣流分離到底是怎么產(chǎn)生的？
粘性這個(gè)討厭的東西，不但會(huì)拖慢蝸牛君的腳步，也使得流動(dòng)方程變成二階偏微分方程。
幸好前輩們發(fā)明了“邊界層”這么個(gè)概念，也就是僅在固體壁面表面一個(gè)很薄范圍內(nèi)，才考慮粘性，在其它的絕大部分空間，認(rèn)為流場(chǎng)是沒(méi)有粘性的。
在平板邊界層的初始階段，邊界層流動(dòng)穩(wěn)定的平行于壁面。這叫層流邊界層，它的厚度依賴(lài)于距離和粘度的增加而增加。在某一個(gè)位置，會(huì)出現(xiàn)所謂的層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩。轉(zhuǎn)捩的位置會(huì)受到雷諾數(shù)、表面的粗糙度和流動(dòng)方向上的壓力梯度的影響。在一般情況下，對(duì)于中等的雷諾數(shù)而言，層流到湍流的轉(zhuǎn)捩發(fā)生在壓力最小的位置，并且隨著雷諾數(shù)的增加，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)向上游移動(dòng)。
 
在湍流邊界層的區(qū)域，流動(dòng)基本上為瞬態(tài)的。雖然時(shí)間平均的流動(dòng)仍然是附著的，并且（幾乎是）平行于壁面的。但是流動(dòng)中的波動(dòng)部分實(shí)際上已經(jīng)不再附著在壁面上了。
 
如果在流動(dòng)方向上壓力增加的話(huà)，會(huì)阻礙邊界層流動(dòng)（特別在近壁面位置）甚至最終導(dǎo)致反向流動(dòng)。在方向向前和向后的流動(dòng)之間，具有一條氣流離開(kāi)壁面的分離線(xiàn)，此種現(xiàn)象就被稱(chēng)為分離（separation）。
 
需要強(qiáng)調(diào)的是，相對(duì)于層流邊界層而言，湍流邊界層能夠承受更加陡峭的逆向壓力梯度而不產(chǎn)生分離現(xiàn)象。這是由于湍流擾動(dòng)過(guò)程，可以使得壁面附近的邊界層，從外部流場(chǎng)“借來(lái)”更多動(dòng)量，用以克服逆壓梯度。
 
上面描述的是一個(gè)完整的氣流分離過(guò)程，蝸牛君將這種磨磨唧唧、猶猶豫豫的分離想象，稱(chēng)為“謝霆鋒-張柏芝”式的分離。只有在比較圓滑的表面上，才有機(jī)會(huì)看到它。
其實(shí)在汽車(chē)上更常見(jiàn)的，是一種簡(jiǎn)單粗暴、沒(méi)有任何預(yù)期的“王寶強(qiáng)-馬蓉”式的氣流分離。
這種現(xiàn)象，發(fā)生在形體表面的曲率“突然”變化的位置；用“人類(lèi)的語(yǔ)言”來(lái)說(shuō)，就是在那些有棱角的位置上。
也就是說(shuō)，在汽車(chē)車(chē)身上，由于車(chē)身突出物和附件的影響，大部分分離現(xiàn)象發(fā)生的位置幾乎是固定的，而并不是邊界層發(fā)展的產(chǎn)物。例如發(fā)罩前端、發(fā)罩-風(fēng)擋玻璃連接處、A柱位置、頂蓋后端和車(chē)外后視鏡等。
在這個(gè)小世界中空氣 “真實(shí)”的掠過(guò)汽車(chē)表面；在粘性的作用下，“創(chuàng)造”出邊界層，并讓它逐漸發(fā)展、變厚；無(wú)序的湍流很討厭，但是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?ldquo;算命先生”也考慮它的影響；邊界層的發(fā)展，最終導(dǎo)致了氣流分離，形成一個(gè)個(gè)或大或小的分離區(qū)。
 
作者簡(jiǎn)介
李濤 先生
中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)委員會(huì)委員，北京新能源汽車(chē)股份有限公司整車(chē)性能部整車(chē)CFD分析及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)主管工程師。負(fù)責(zé)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中的整車(chē)CFD分析工作。
 
李濤先生自營(yíng)公眾號(hào)“路面車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)”，自謙為“緩慢但堅(jiān)韌的蝸牛君——汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的搬運(yùn)工！”  
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