轎車乘員艙內(nèi)氣流對氣動阻力影響的數(shù)值模擬

王東　王艷松

摘要：為揭示轎車側(cè)窗開啟程度和乘員艙內(nèi)布置對氣動阻力的影響規(guī)律，建立1∶1階背式英國汽車研究協(xié)會（Motor Industry Research Association， MIRA）標(biāo)準(zhǔn)模型；基于FLUENT，在30 m/s風(fēng)速下采用可實現(xiàn)kε湍流模型對不同側(cè)窗開度的模型進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，得到氣動阻力因數(shù)隨側(cè)窗開啟程度的增大而增大的變化趨勢.在側(cè)窗全開時，改變艙內(nèi)布置，得到氣動阻力因數(shù)隨假人個數(shù)的變化規(guī)律；對比不同情況下模型的流場分布發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮乘員艙內(nèi)氣流時，氣動阻力的大小不僅與進(jìn)氣量有關(guān)，而且受艙內(nèi)流場分布的影響.

關(guān)鍵詞：氣動阻力； 乘員艙內(nèi)氣流； 假人； 側(cè)窗； 三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

中圖分類號： U461.1；TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

汽車的氣動阻力決定汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，對汽車的性能影響很大.氣動阻力包括外流阻力和內(nèi)流阻力.外流阻力由壓差阻力、摩擦阻力、誘導(dǎo)阻力和干涉阻力等組成，其大小主要由汽車外形和車身表面狀態(tài)決定，其中，壓差阻力占汽車總氣動阻力的50%～60%，是氣動阻力的主要組成部分.氣流流經(jīng)車內(nèi)構(gòu)件時，沿程的能量損失導(dǎo)致內(nèi)流阻力.乘員艙內(nèi)流分布與開窗情況關(guān)系十分密切，并受艙內(nèi)布置的影響.[1]

汽車周圍的流場分布直接影響汽車的氣動特性，乘員艙內(nèi)流是汽車空氣動力學(xué)中較為復(fù)雜的部分.由于乘員艙內(nèi)流場的試驗觀測比較困難，因此，對汽車氣動特性的研究一般以外流場為主，較少考慮內(nèi)流影響.[2]本文采用數(shù)值仿真方法，研究開窗情況和乘員艙內(nèi)假人個數(shù)對氣動阻力的影響規(guī)律，并分析其影響機(jī)理.

1湍流模型

以側(cè)窗高度為依據(jù)將車窗4等分，開窗程度定義為車窗開啟高度除以車窗總高度，車內(nèi)加入儀表板.當(dāng)乘員艙前后各布置2個假人時，分別對以下5種開窗程度的模型進(jìn)行計算：①全閉；②1/4開；③1/2開；④3/4開；⑤全開.

此外，為研究假人和座椅個數(shù)對氣動阻力的影響，改變模型⑤的艙內(nèi)布置，形成以下3個模型進(jìn)行對比：⑥僅在前排放置2個假人和座椅，即駕駛員、副駕駛和前排座椅；⑦僅在后排放置2個假人和座椅；⑧無假人、無座椅.

在實際情況中，不存在工況⑦和⑧，本文僅做理論研究，以探討乘員艙內(nèi)布置對流場分布的影響.

2.2計算域和網(wǎng)格劃分

為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度，在控制網(wǎng)格數(shù)量的同時計算域的尺寸應(yīng)足夠大，以減小施加邊界條件后流場對車輛的影響.整個計算域為一個長方體，車前取4倍車長，車后取7倍車長，左、右各取5倍車寬，共取7倍車高.[6]

數(shù)值模型采用三棱柱、四面體和金字塔的混合網(wǎng)格：MIRA車身表面為三角形面網(wǎng)格，沿表面法線方向生成5層致密的三棱柱網(wǎng)格，以適應(yīng)附近較大的速度梯度；計算區(qū)域內(nèi)為金字塔與四面體網(wǎng)格，并通過控制網(wǎng)格最大體積在車身附近進(jìn)行局部加密.最終，網(wǎng)格總數(shù)約為1 000萬個.

由于彈性輪胎與地面接觸時會產(chǎn)生變形，輪胎與地面有夾角，網(wǎng)格質(zhì)量較差，所以計算難以收斂.為克服該問題，可順矩形接觸面向上拉出一個凸臺[7]，見圖2.

2.3物理性質(zhì)和邊界條件

在低于限速的情況下，作用于汽車上的相對空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，可認(rèn)為空氣是不可壓縮的.假設(shè)汽車在無風(fēng)、平直路面上等速直線運(yùn)動，同時忽略空氣物理性質(zhì)參數(shù)的變化，即認(rèn)為空氣的溫度、黏性和參考壓強(qiáng)等不變，因此汽車外流場為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體.[8]此時，只需給出邊界條件，不需要初始條件，流動微分方程組就有確定解.采用速度入口和壓力出口，地面為無滑移壁面.

2.4求解參數(shù)

采用高雷諾數(shù)可實現(xiàn)kε湍流模型，壁面函數(shù)為非平衡壁面函數(shù)，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法.[9]取默認(rèn)松弛因子，用1階迎風(fēng)格式迭代一定步數(shù)后，換用2階迎風(fēng)格式的離散格式以保證數(shù)值穩(wěn)定性和截差精度.此后，減小松弛因子以保證收斂.

3計算結(jié)果和分析

3.1開窗程度對氣動阻力的影響

在不同側(cè)窗開啟程度下的氣動阻力因數(shù)見表1.在全閉時，該模型在斯圖加特大學(xué)IVK風(fēng)洞的試驗阻力因數(shù)為0.305 5[10]，數(shù)值模擬結(jié)果相比試驗值存在8.31%的誤差.同時得到側(cè)窗開啟程度氣動阻力因數(shù)曲線（見圖3），可知，氣動阻力因數(shù)隨開窗程度的增大而增大.

為分析阻力增大的原因，截取不同開窗情況下的縱向?qū)ΨQ面，獲得y=0平面的壓力分布進(jìn)行對比.在側(cè)窗全閉或全開時y=0平面的壓力云圖見圖4.當(dāng)汽車高速行駛時，車內(nèi)壓力小于外界壓力，側(cè)窗打開引起外部氣流涌入，與內(nèi)部構(gòu)件的壁面相互作用，導(dǎo)致阻力增大.[11]另外，在側(cè)窗附近，由于氣流分離形成渦流，渦系間相互吸引并隨著汽車的行駛被拖拽到尾部，引起尾渦增大，最終導(dǎo)致汽車的壓差阻力增大，而壓差阻力正是氣動阻力的最大貢獻(xiàn)者.

由圖5可知，當(dāng)側(cè)窗開啟1/4時，乘員艙內(nèi)部的壓力分布相對均勻；當(dāng)開啟3/4時，由于進(jìn)氣量增大，乘員艙中心區(qū)域渦動量較大，氣流流速較大，壓力相對偏低，而乘員艙前、后部由于小區(qū)域渦流的存在，使得壓力相對較大；同時，當(dāng)開啟3/4時，側(cè)面氣流在后背部向內(nèi)的翻卷強(qiáng)度增大，使得尾渦增大，最終導(dǎo)致氣動阻力增大.

3.2艙內(nèi)布置對流動分布的影響

乘員艙內(nèi)的流場分布隨艙內(nèi)布置的變化而變

化，從而對汽車的氣動阻力產(chǎn)生影響.當(dāng)車窗全開時，比較假人和座椅個數(shù)對氣動阻力因數(shù)的影響，仿真結(jié)果見表2，可知，當(dāng)車窗全開時，汽車的氣動阻

力因數(shù)隨假人個數(shù)的減少而有增大趨勢，但變化幅度較小.因此，乘員艙內(nèi)布置的改變主要影響流場的分布.

由圖6可知，乘員艙內(nèi)的布置對艙內(nèi)流動分布影響很大：當(dāng)有4個假人和座椅時，乘員艙內(nèi)空間較小，進(jìn)氣量也較小；去掉后排的假人和座椅后，乘員艙內(nèi)空間增大，渦流的動能也隨之增大；當(dāng)僅后排有假人時，由于沒有前排乘員和座椅的阻擋，氣流在乘員艙中心形成一個較大的渦流，該渦流與乘員艙內(nèi)壁面相互作用，引起氣動阻力的增大；當(dāng)乘員艙內(nèi)沒有假人和座椅時，進(jìn)氣量更大，中心區(qū)域的渦流動能更大，整體的能量損失也更大，此時，雖然與渦流相互作用的壁面減少，但整體效果仍為氣動阻力的增大.

為研究乘員艙內(nèi)的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm處建立水平截面，并獲得該截面的速度矢量云圖，見圖7～9.

在勢流的作用下，流經(jīng)汽車側(cè)面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當(dāng)側(cè)窗開啟后，氣流由側(cè)后窗進(jìn)入乘員艙，受艙內(nèi)壁面阻滯形

成回流，并在乘員艙后方形成局部高壓區(qū)，使得氣動阻力增大.前窗外側(cè)流速較大，壓力較低，乘員艙內(nèi)氣流由前窗流出并與來流形成強(qiáng)剪切流，隨主流流向后方，而后到達(dá)側(cè)后窗，并以此循環(huán)形成空腔模型.[2]

4結(jié)論

通過改變側(cè)窗開度和全開時假人與座椅分布建立不同工況下的MIRA模型，利用CFD軟件進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬.由分析仿真結(jié)果可知：

（1）當(dāng)側(cè)窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數(shù)最小.

（2）氣動阻力因數(shù)隨側(cè)窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內(nèi)的空間布置對進(jìn)氣量和流場分布有較大影響，仿真模擬時忽略假人等乘員艙內(nèi)布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數(shù)受多種因素的共同作用.當(dāng)考慮乘員艙內(nèi)流時，既要關(guān)注進(jìn)氣量，又要考慮艙內(nèi)布置的影響，在不同工況下，起主導(dǎo)作用的因素不同，不可一概而論.

參考文獻(xiàn)：

[1]谷正氣. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005： 5870.

[2]董立偉. 基于內(nèi)流的汽車氣動特性研究與分析[D]. 株洲： 湖南工業(yè)大學(xué)， 2012.

[3]朱暉， 楊志剛. 皮卡車三維外流場數(shù)值研究[J]. 計算機(jī)仿真， 2007， 24（6）： 248251.

[4]張淑佳， 李賢華， 朱保林， 等. kε渦黏湍流模型用于離心泵數(shù)值模擬的適用性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2009， 45（4）： 238242.

[5]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004： 120126.

[6]王莉. 快背式轎車空氣動力特性分析[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2005.

[7]劉暢. 重型載貨汽車的空氣動力特性研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2008.

[8]王文亮， 魏道高. 基于某型轎車的外流場數(shù)值模擬[J]. 汽車科技， 2010（2）： 4447.

[9]王佳， 楊志剛， 朱暉. 階背式MIRA模型氣動阻力數(shù)值模擬網(wǎng)格無關(guān)性研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]龐加斌， 林志興， 余卓平， 等. TJ2風(fēng)洞汽車模型試驗的修正方法[J]. 汽車工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]張英朝， 李杰， 張喆. 轎車開窗行駛時的氣動阻力分析[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2010， 31（6）： 651655.

（編輯陳鋒杰）

為研究乘員艙內(nèi)的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm處建立水平截面，并獲得該截面的速度矢量云圖，見圖7～9.

在勢流的作用下，流經(jīng)汽車側(cè)面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當(dāng)側(cè)窗開啟后，氣流由側(cè)后窗進(jìn)入乘員艙，受艙內(nèi)壁面阻滯形

成回流，并在乘員艙后方形成局部高壓區(qū)，使得氣動阻力增大.前窗外側(cè)流速較大，壓力較低，乘員艙內(nèi)氣流由前窗流出并與來流形成強(qiáng)剪切流，隨主流流向后方，而后到達(dá)側(cè)后窗，并以此循環(huán)形成空腔模型.[2]

4結(jié)論

通過改變側(cè)窗開度和全開時假人與座椅分布建立不同工況下的MIRA模型，利用CFD軟件進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬.由分析仿真結(jié)果可知：

（1）當(dāng)側(cè)窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數(shù)最小.

（2）氣動阻力因數(shù)隨側(cè)窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內(nèi)的空間布置對進(jìn)氣量和流場分布有較大影響，仿真模擬時忽略假人等乘員艙內(nèi)布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數(shù)受多種因素的共同作用.當(dāng)考慮乘員艙內(nèi)流時，既要關(guān)注進(jìn)氣量，又要考慮艙內(nèi)布置的影響，在不同工況下，起主導(dǎo)作用的因素不同，不可一概而論.

參考文獻(xiàn)：

[1]谷正氣. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005： 5870.

[2]董立偉. 基于內(nèi)流的汽車氣動特性研究與分析[D]. 株洲： 湖南工業(yè)大學(xué)， 2012.

[3]朱暉， 楊志剛. 皮卡車三維外流場數(shù)值研究[J]. 計算機(jī)仿真， 2007， 24（6）： 248251.

[4]張淑佳， 李賢華， 朱保林， 等. kε渦黏湍流模型用于離心泵數(shù)值模擬的適用性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2009， 45（4）： 238242.

[5]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004： 120126.

[6]王莉. 快背式轎車空氣動力特性分析[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2005.

[7]劉暢. 重型載貨汽車的空氣動力特性研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2008.

[8]王文亮， 魏道高. 基于某型轎車的外流場數(shù)值模擬[J]. 汽車科技， 2010（2）： 4447.

[9]王佳， 楊志剛， 朱暉. 階背式MIRA模型氣動阻力數(shù)值模擬網(wǎng)格無關(guān)性研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]龐加斌， 林志興， 余卓平， 等. TJ2風(fēng)洞汽車模型試驗的修正方法[J]. 汽車工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]張英朝， 李杰， 張喆. 轎車開窗行駛時的氣動阻力分析[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2010， 31（6）： 651655.

（編輯陳鋒杰）

為研究乘員艙內(nèi)的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm處建立水平截面，并獲得該截面的速度矢量云圖，見圖7～9.

在勢流的作用下，流經(jīng)汽車側(cè)面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當(dāng)側(cè)窗開啟后，氣流由側(cè)后窗進(jìn)入乘員艙，受艙內(nèi)壁面阻滯形

成回流，并在乘員艙后方形成局部高壓區(qū)，使得氣動阻力增大.前窗外側(cè)流速較大，壓力較低，乘員艙內(nèi)氣流由前窗流出并與來流形成強(qiáng)剪切流，隨主流流向后方，而后到達(dá)側(cè)后窗，并以此循環(huán)形成空腔模型.[2]

4結(jié)論

通過改變側(cè)窗開度和全開時假人與座椅分布建立不同工況下的MIRA模型，利用CFD軟件進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬.由分析仿真結(jié)果可知：

（1）當(dāng)側(cè)窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數(shù)最小.

（2）氣動阻力因數(shù)隨側(cè)窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內(nèi)的空間布置對進(jìn)氣量和流場分布有較大影響，仿真模擬時忽略假人等乘員艙內(nèi)布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數(shù)受多種因素的共同作用.當(dāng)考慮乘員艙內(nèi)流時，既要關(guān)注進(jìn)氣量，又要考慮艙內(nèi)布置的影響，在不同工況下，起主導(dǎo)作用的因素不同，不可一概而論.

參考文獻(xiàn)：

[1]谷正氣. 汽車空氣動力學(xué)[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005： 5870.

[2]董立偉. 基于內(nèi)流的汽車氣動特性研究與分析[D]. 株洲： 湖南工業(yè)大學(xué)， 2012.

[3]朱暉， 楊志剛. 皮卡車三維外流場數(shù)值研究[J]. 計算機(jī)仿真， 2007， 24（6）： 248251.

[4]張淑佳， 李賢華， 朱保林， 等. kε渦黏湍流模型用于離心泵數(shù)值模擬的適用性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報， 2009， 45（4）： 238242.

[5]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004： 120126.

[6]王莉. 快背式轎車空氣動力特性分析[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2005.

[7]劉暢. 重型載貨汽車的空氣動力特性研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2008.

[8]王文亮， 魏道高. 基于某型轎車的外流場數(shù)值模擬[J]. 汽車科技， 2010（2）： 4447.

[9]王佳， 楊志剛， 朱暉. 階背式MIRA模型氣動阻力數(shù)值模擬網(wǎng)格無關(guān)性研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]龐加斌， 林志興， 余卓平， 等. TJ2風(fēng)洞汽車模型試驗的修正方法[J]. 汽車工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]張英朝， 李杰， 張喆. 轎車開窗行駛時的氣動阻力分析[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2010， 31（6）： 651655.

（編輯陳鋒杰）