汽車刮水器氣動(dòng)升力的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值研究

譚 鵬, 谷正氣,2,*, 陳 陣, 豐成杰, 張啟東

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué), 湖南 株洲 412007)

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汽車刮水器氣動(dòng)升力的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值研究

譚 鵬1, 谷正氣1,2,*, 陳 陣1, 豐成杰1, 張啟東1

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南工業(yè)大學(xué), 湖南 株洲 412007)

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車刮水器氣動(dòng)升力的研究?jī)H局限于靜態(tài)轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，且尚無(wú)相關(guān)驗(yàn)證性的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)此設(shè)計(jì)和完成了刮水器靜態(tài)轉(zhuǎn)角的驗(yàn)證性風(fēng)洞試驗(yàn)，采用多點(diǎn)測(cè)試方法測(cè)得了四種刮水器在不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)角下的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)升力，輔以穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算分析了刮水器氣動(dòng)升力產(chǎn)生與變化機(jī)理,同時(shí)以測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法真實(shí)可靠。此外提出了一種新型動(dòng)網(wǎng)格策略—?jiǎng)泳W(wǎng)格域盒，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格域盒與用戶自定義函數(shù)UDF計(jì)算分析了刮水器動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角的瞬態(tài)氣動(dòng)升力。研究結(jié)果表明，氣動(dòng)升力對(duì)刮水器穩(wěn)定性的影響不容忽視，且在某一特定風(fēng)速及轉(zhuǎn)角下存在最大值；刮水器上行的氣動(dòng)升力明顯小于穩(wěn)態(tài)值，下行的氣動(dòng)升力明顯大于穩(wěn)態(tài)值。

刮水器；氣動(dòng)升力；風(fēng)洞試驗(yàn)；動(dòng)網(wǎng)格域盒

0 引 言

汽車在雨天行駛時(shí)刮水器受來(lái)流作用產(chǎn)生的氣動(dòng)升力影響，使其與前風(fēng)窗貼合性減弱，刮刷效果降低，影響駕駛員視野，從而易引發(fā)交通事故。一般解決方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)增加預(yù)壓力，此方法雖可維持刮水器的下壓力，但刮水器氣動(dòng)升力會(huì)隨著車速改變而變化，氣動(dòng)升力較小時(shí)，過(guò)大的預(yù)壓力會(huì)加大刮水器與玻璃間的摩擦力，增加電機(jī)負(fù)載，此外摩擦力過(guò)大，易刮損擋風(fēng)玻璃，刮水器壽命也會(huì)降低。最佳解決方案是研究刮水器的氣動(dòng)特性[1-4]，從空氣動(dòng)力學(xué)角度正向設(shè)計(jì)，整體上降低刮水器的氣動(dòng)升力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)刮水器的氣動(dòng)特性已做了一定的研究，如基于刮水器的二維模型，探索刮水器刮臂形狀、尺寸、位置以及開(kāi)孔等因素對(duì)其氣動(dòng)特性的影響[5]；對(duì)高速列車的刮水器在三個(gè)特殊位置的氣動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析[6]；對(duì)主、副刮水器處于不同刮刷角度時(shí)的穩(wěn)態(tài)升力進(jìn)行分析[7-8]；以及提出一種加裝擾流器和翅片的改進(jìn)方案，并分析刮水器各個(gè)功能部件的氣動(dòng)力[9]等。然而，這些研究都只局限于刮水器靜態(tài)角度的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)升力，不同文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果相差也較大，而且目前針對(duì)汽車刮水器氣動(dòng)升力的試驗(yàn)研究尚處于空白階段，前人的數(shù)值研究結(jié)果并未設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

對(duì)此本文完成了國(guó)內(nèi)外首例刮水器氣動(dòng)升力測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)，輔以穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算探索了刮水器氣動(dòng)升力的產(chǎn)生機(jī)理以及在不同風(fēng)速、不同轉(zhuǎn)角下的變化規(guī)律。此外提出了一種適用于復(fù)雜邊界大幅度運(yùn)動(dòng)模擬的新型動(dòng)網(wǎng)格策略，即動(dòng)網(wǎng)格域盒。并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格域盒與用戶自定義函數(shù)(UDF)，真實(shí)的模擬了汽車刮水器的工作狀態(tài)，在此前提下對(duì)其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角的瞬態(tài)氣動(dòng)升力進(jìn)行了探討。本文旨在為汽車刮水器提供合理的氣動(dòng)升力特性分析與評(píng)價(jià)方法，以及正向設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

1 汽車刮水器風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 刮水器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

刮水器氣動(dòng)升力測(cè)試試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2閉式回流風(fēng)洞進(jìn)行。刮水器的尺寸以及升力數(shù)量級(jí)較小，在試驗(yàn)過(guò)程中，為保證測(cè)量精度，避免不確定因素造成更多的誤差，采用刮水器實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)。如圖1從上至下依次為無(wú)骨刮水器、A型三段刮水器、B型三段刮水器、有骨刮水器，長(zhǎng)度均為60 cm。

同時(shí)為減小阻塞比，設(shè)計(jì)了用于只安裝主刮水器的簡(jiǎn)化類汽車車頭模型，以模擬刮水器的實(shí)際工作環(huán)境，圖2為刮水器安裝在類汽車車頭模型上。

圖1 用于試驗(yàn)的刮水器Fig.1 Wipers of test

圖2 刮水器升力測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.2 Wind tunnel test of wiper

1.2 氣動(dòng)升力測(cè)試方案設(shè)計(jì)

汽車氣動(dòng)力的測(cè)試通常依靠測(cè)力天平，對(duì)于刮水器氣動(dòng)升力的測(cè)量，存在測(cè)量空間太小的問(wèn)題，使得天平布置困難、對(duì)流場(chǎng)影響較大以及不適應(yīng)多角度測(cè)量，即使可行，也必須對(duì)刮水器模型和擋風(fēng)玻璃模型做特殊加工，使得試驗(yàn)成本大幅增加。在本試驗(yàn)中，采用了MFF多點(diǎn)薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)，如圖3，薄膜傳感器厚度僅為0.2 mm，誤差為0.2 N。

圖3 MEF薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)與傳感器布置Fig.3 MEF system and the arrangement of the sensors

刮水器刮片膠條與擋風(fēng)玻璃之間是面接觸，若采用多點(diǎn)壓力測(cè)試系統(tǒng)，需將面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)接觸。對(duì)此設(shè)計(jì)了具體測(cè)試方案：

1) 卸除刮水器上的橡膠條，采用與之外形相同的剛性鋼條替換，使之在預(yù)壓力的作用下不會(huì)發(fā)生形變；

2) 在壓力傳感器的感壓區(qū)域固定0.8 mm厚的墊片，使得試驗(yàn)用的傳感器總厚度為1 mm；

3) 如圖3在刮水器與擋風(fēng)玻璃之間均勻布置3個(gè)壓力傳感器，各傳感器的壓力值之和即為總下壓力，而未布置傳感器的位置則留有微小間隙，均控制在1 mm左右，既保證了點(diǎn)接觸形式，又不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成太大的影響；

4) 分別測(cè)試有風(fēng)作用和無(wú)風(fēng)作用時(shí)的下壓力，兩者之差即為在該風(fēng)速下由于氣流作用刮水器產(chǎn)生的氣動(dòng)升力值。此試驗(yàn)方案能更方便更準(zhǔn)確的測(cè)得刮水器的氣動(dòng)升力，同時(shí)節(jié)省了大量試驗(yàn)成本。

1.3 試驗(yàn)工況設(shè)置與結(jié)果分析

為獲取升力的變化規(guī)律，需要對(duì)刮水器進(jìn)行多個(gè)角度、多個(gè)速度的氣動(dòng)升力測(cè)量。試驗(yàn)中單個(gè)刮水器的試驗(yàn)工況為: 取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7個(gè)刮刷角度進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試風(fēng)速分別為0 m/s、15 m/s、18 m/s、21 m/s、24 m/s、27 m/s、30 m/s，四個(gè)刮水器共196個(gè)工況。

考慮到壁面對(duì)測(cè)試的影響，需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相似性修正，然后運(yùn)用interp2插值方法將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果擬合成連續(xù)數(shù)據(jù)，針對(duì)擬合結(jié)果中各刮水器峰值處對(duì)應(yīng)的工況再次進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了峰值大小和出現(xiàn)位置的正確性。圖4為四個(gè)刮水器氣動(dòng)升力值與風(fēng)速、轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系圖?？梢钥闯鏊膫€(gè)刮水器的氣動(dòng)升力變化規(guī)律總體上趨于一致，主要有兩個(gè)規(guī)律：1) 四個(gè)刮水器氣動(dòng)升力的峰值出現(xiàn)在大致相同位置，即風(fēng)速在19 m/s附近，轉(zhuǎn)角在44°附近的位置；2) 如果轉(zhuǎn)角一定，升力與風(fēng)速的關(guān)系是隨風(fēng)速的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(a) 無(wú)骨刮水器 (b) A型三段刮水器

(c) B型三段刮水器 (d)有骨刮水器

其中氣動(dòng)性能最佳的是B型三段刮水器，最大升力為3.533 N，并且在峰值附近升力變化較為平緩，風(fēng)速增大時(shí)，升力以較快的速度減小，最小達(dá)到-3.688 N，如圖4(c)；氣動(dòng)性能最差的是有骨刮水器，最大升力為5.631 N，升力平均值偏高，最小值為-0.563 N，如圖4(d)。無(wú)骨刮水器與A型三段刮水器的氣動(dòng)性能介于前兩者之間，其中無(wú)骨刮水器最大升力為4.289 N，最小升力為-3.495 N，峰值附近的升力變化較為平穩(wěn)，A型三段刮水器的最大升力為4.942 N，最小升力為-1.424 N，峰值附近變化幅度較大，如圖4(a-b)。由此可見(jiàn)，刮水器氣動(dòng)升力水平受其外型影響，無(wú)骨和B型三段刮水器迎風(fēng)面具有尺寸大而深的凹槽能有效減小氣動(dòng)升力。

此外，在無(wú)風(fēng)時(shí)測(cè)得的刮水器預(yù)壓力為8.211 N，由于氣動(dòng)升力的影響，四種刮水器的下壓力最小可低至2.58 N，僅為預(yù)壓力的31.4%，根據(jù)QC/T 44-2009標(biāo)準(zhǔn)[10]可知，對(duì)于60 cm刮水器允許的最小下壓力為5.4 N。足見(jiàn)氣動(dòng)升力的產(chǎn)生嚴(yán)重影響刮水器的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)中由于設(shè)備的精度問(wèn)題會(huì)對(duì)結(jié)果造成誤差，但是誤差存在于小數(shù)點(diǎn)后一位，對(duì)刮水器氣動(dòng)升力的整體變化規(guī)律的捕捉不會(huì)產(chǎn)生影響。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了刮水器氣動(dòng)升力的變化規(guī)律，然而對(duì)于刮水器氣動(dòng)升力產(chǎn)生與變化機(jī)理的研究難以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以下文采用數(shù)值方法做進(jìn)一步的研究。

2 氣動(dòng)升力產(chǎn)生與變化機(jī)理分析

2.1 刮水器數(shù)值模型建立

建立四個(gè)刮水器的1∶1數(shù)值模型。對(duì)尺寸在1 mm以下的細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，比如鉸接螺釘、橡膠條上的凹槽、一些刮水片支架邊緣倒圓等微小特征。這樣既保證了較高的網(wǎng)格質(zhì)量，使計(jì)算結(jié)果有效，又能提高計(jì)算效率。如圖5為四種刮水器的三維模型。

同時(shí)建立與試驗(yàn)中一致的類汽車車頭模型以模擬刮水器的工作環(huán)境。如圖6為刮水器與類汽車車頭模型。

圖5 四種刮水器數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of the wipers

圖6 刮水器仿真模型Fig.6 Simulation model of the wiper

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

計(jì)算域?yàn)楦鶕?jù)HD-2風(fēng)洞試驗(yàn)段而建立的長(zhǎng)方體域，寬3 m，高2.5 m，長(zhǎng)17 m。由于刮水器曲面復(fù)雜且結(jié)構(gòu)較小，為方便網(wǎng)格生成，采用四面體與三棱柱非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在刮水器附近和擋風(fēng)玻璃表面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，這樣既能保證計(jì)算精度又能提高計(jì)算效率。劃分后計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為780萬(wàn)，如圖7所示。

圖7 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.7 Mesh of model

刮水器穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)升力數(shù)值計(jì)算的目的是研究試驗(yàn)所得升力變化規(guī)律的機(jī)理，無(wú)需再進(jìn)行全工況仿真。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)單個(gè)刮水器設(shè)置如下兩個(gè)工況：1) 轉(zhuǎn)角設(shè)置為45°，風(fēng)速分別設(shè)置為15 m/s、18 m/s、21 m/s、24 m/s、27 m/s、30 m/s ；2) 風(fēng)速設(shè)置18 m/s，轉(zhuǎn)角分別設(shè)置為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

速度入口湍流度根據(jù)風(fēng)洞的實(shí)測(cè)值設(shè)置為0.7%，出口設(shè)置為壓力出口，出口湍流度根據(jù)實(shí)測(cè)值的平均結(jié)果設(shè)置為5% 。仿真工況的馬赫數(shù)均小于0.3，可視為三維不可壓縮粘性等溫流場(chǎng)，可選取雷諾時(shí)均兩方程湍流模型Realizablek-ε進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[11]，通過(guò)各種湍流模型的仿真比較，確認(rèn) Realizablek-ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。

2.3 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

如圖8為工況1中四個(gè)刮水器的升力受風(fēng)速影響的仿真結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)接近二次曲線，規(guī)律性更強(qiáng)，且與試驗(yàn)結(jié)果的整體變化規(guī)律一致，峰值出現(xiàn)的位置也非常吻合，這一結(jié)果說(shuō)明通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)方法與該數(shù)值仿真方法得到的結(jié)果具有很高的可信度和參考價(jià)值。

(a) 無(wú)骨刮水器 (b) A型三段刮水器

(b) B型三段刮水器 (d) 有骨刮水器

圖9(a-b)所示為B型三段刮水器在轉(zhuǎn)角為45°、風(fēng)速為21 m/s時(shí)，上下表面靜壓分布圖，從圖中可知刮水器氣動(dòng)升力的產(chǎn)生原因正是上下表面的壓力差所致，積分獲得上下表面的壓力值分別為2.124 N和4.883 N，兩者之差即為其氣動(dòng)升力值。

(a) 上表面靜壓分布 (b)下表面靜壓分布

(c) 上下表面靜壓變化

對(duì)B型三段刮水器在45°位置時(shí)其他風(fēng)速的上下表面壓力進(jìn)行積分處理，得到如圖9(c)所示的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，上表面雖然在27 m/s之前一直比下表面的壓力小，但是上表面壓力隨風(fēng)速增大呈迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，下表面壓力則是在18 m/s之后緩慢增長(zhǎng)。究其原因是由于擋風(fēng)玻璃有大傾角，使刮水器的對(duì)稱面與來(lái)流方向呈一定的角度，從而刮水器的迎風(fēng)面為上表面，氣流始終直接作用于上表面，對(duì)風(fēng)速的變化非常敏感，上表面壓力能隨風(fēng)速的增大而迅速增長(zhǎng)，下表面為背風(fēng)面，氣流不會(huì)直接作用在下表面，而是作用于與之相鄰的玻璃表面，在兩者之間的狹小凹槽內(nèi)形成旋流，此處氣流速度較低，所以下表面壓力變化受來(lái)流速度影響相對(duì)較小。

圖10所示為工況2中4個(gè)刮水器的升力受轉(zhuǎn)角影響的仿真結(jié)果和試驗(yàn)值的對(duì)比圖。各刮水器的升力峰值均出現(xiàn)在45°附近，仿真結(jié)果的變化接近于正弦曲線，峰值兩側(cè)升力值逐漸減小。

(a) 無(wú)骨刮水器 (b) A型三段刮水器

(c) B型三段刮水器 (d) 有骨刮水器

為了弄清轉(zhuǎn)角的變化如何影響到刮水器周圍流場(chǎng)，以致使升力發(fā)生變化，我們以B型三段刮水器為例進(jìn)行探討，圖11為B型三段刮水器在15°、30°、45°、60°時(shí)的流線圖。在15°時(shí)，刮水器處于擋風(fēng)玻璃與引擎蓋之間的低速區(qū)，受氣流的影響很小，迎風(fēng)面的平均風(fēng)速約為7.5 m/s，在靠近轉(zhuǎn)軸一端的背風(fēng)面形成了一個(gè)螺旋渦，卷入刮水器背風(fēng)面底部，渦長(zhǎng)為1/4倍刮水器長(zhǎng)，這時(shí)螺旋渦對(duì)刮水器背風(fēng)面的作用很有限；隨著轉(zhuǎn)角分別增加到30°、45°時(shí)后，刮水器脫離低速區(qū)，迎風(fēng)面平均風(fēng)速隨之增大到大約12.5 m/s、17.5 m/s，背風(fēng)面螺旋渦的長(zhǎng)度變成3/5倍、1倍刮水器長(zhǎng)，渦旋強(qiáng)度也有所增加，使得卷入底部的氣流對(duì)下表面的作用力增大。轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大到60°后，迎風(fēng)面氣流速度，螺旋渦的渦長(zhǎng)和渦旋強(qiáng)度相對(duì)于45°時(shí)沒(méi)有明顯增加，但此時(shí)刮水器展向與氣流方向之間的角度變小，刮水器的迎風(fēng)面積大幅減小， 且上下表面的氣流較多沿著刮水器展向?qū)С?。由此可知轉(zhuǎn)角較大時(shí)，較小的迎風(fēng)面積與氣流能順暢通過(guò)是導(dǎo)致氣動(dòng)升力減小的主要原因。

(a) 15° (b) 30°

(c) 45° (d) 60°

其他三個(gè)刮水器氣動(dòng)升力產(chǎn)生機(jī)理與變化規(guī)律與B型三段刮水器相似，這里不再贅述。

3 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角的瞬態(tài)氣動(dòng)升力分析

3.1 新型動(dòng)網(wǎng)格策略與可行性分析

對(duì)于四面體及三棱柱網(wǎng)格，動(dòng)網(wǎng)格的更新方法為網(wǎng)格變形和局部網(wǎng)格重構(gòu)，前者的基本思想是將網(wǎng)格的邊理想化為節(jié)點(diǎn)間相互連接的彈簧，當(dāng)網(wǎng)格變化時(shí)，根據(jù)胡克定律可以確定使節(jié)點(diǎn)上的合力為零的新節(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)邊界的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)格尺寸時(shí)，局部網(wǎng)格發(fā)生重構(gòu)，生成新的網(wǎng)格代替舊網(wǎng)格，使畸變率和尺寸始終滿足要求。為避免由于網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的額外誤差，必須遵守動(dòng)網(wǎng)格守恒方程，任意一個(gè)邊界移動(dòng)的控制體V中，廣義標(biāo)量φ的積分守恒方程為：

式中，ρ為流體密度，u為流體的速度矢量，ug為移動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格速度，Γ為擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為φ的源項(xiàng)，?V為控制體V的邊界。

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)在二維流場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)邊界較簡(jiǎn)單的三維流場(chǎng)模擬中應(yīng)用廣泛，如機(jī)翼和魚(yú)尾動(dòng)態(tài)模擬[12-15]，對(duì)于復(fù)雜模型的邊界運(yùn)動(dòng)模擬比較困難。本文研究的刮水器外形較為復(fù)雜，具有很多小面，且運(yùn)動(dòng)幅度很大，刮刷角度為90°，采用一般的動(dòng)網(wǎng)格策略有2個(gè)缺點(diǎn)：

1) 刮水器表面的網(wǎng)格伸縮和重構(gòu)時(shí)質(zhì)量也會(huì)大幅下降，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)；

2) 刮水器表面網(wǎng)格小，為避免出現(xiàn)負(fù)體積，必須將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置很小，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)。此外過(guò)多的網(wǎng)格變化對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求很高。

針對(duì)上述提到的問(wèn)題，本文提出一種動(dòng)網(wǎng)格域盒方法，即建立一個(gè)完全包裹刮水器的動(dòng)網(wǎng)格域盒(下文簡(jiǎn)稱域盒)，在域盒內(nèi)外建立兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，將域盒壁設(shè)置為Interior，計(jì)算時(shí)使刮水器、域盒以及盒內(nèi)網(wǎng)格一起運(yùn)動(dòng)。此方法有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1) 刮水器表面網(wǎng)格不再發(fā)生變化，保證了網(wǎng)格質(zhì)量，避免了由于網(wǎng)格畸形導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果波動(dòng)；

2) 網(wǎng)格的變形及重構(gòu)由刮水器表面轉(zhuǎn)移到域盒表面，域盒表面的網(wǎng)格更規(guī)整，尺寸更大，因此網(wǎng)格變形與重構(gòu)更容易，生成的新網(wǎng)格質(zhì)量更高；

3) 涉及變形與重構(gòu)的網(wǎng)格量少，減輕了計(jì)算負(fù)荷。時(shí)間步長(zhǎng)可設(shè)置較大，可提高計(jì)算效率。

為了驗(yàn)證此方法的可行性，本文設(shè)計(jì)了驗(yàn)證算例：用四棱柱代替復(fù)雜的刮水器在斜面上轉(zhuǎn)動(dòng)90°，采用四棱柱是為保證在無(wú)域盒動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)也能大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置了無(wú)域盒、平頂域盒、圓頂域盒和僅有盒底四個(gè)對(duì)比算例，如圖12(a)～圖12(d)。

(a) 無(wú)域盒 (b) 平頂域盒

(c) 圓頂域盒 (d) 僅有盒底

表1為各算例計(jì)算完成后的網(wǎng)格信息和計(jì)算時(shí)間，明顯可發(fā)現(xiàn)域盒方法能維持網(wǎng)格質(zhì)量，并有效的提高計(jì)算效率。

如圖13為0.1 s～0.6 s棱柱升力系數(shù)的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，從圖中可看出四個(gè)算例的變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值基本一致。另外從無(wú)域盒的計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在0.2 s和0.32 s時(shí)刻升力系數(shù)出現(xiàn)了明顯跳動(dòng)，這是棱柱表面的網(wǎng)格在前后兩個(gè)時(shí)刻發(fā)生了劇烈的變化所致。而僅有盒底與有域盒的計(jì)算結(jié)果幾乎一致，這一結(jié)果可證實(shí)添加域盒不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

表1 驗(yàn)證算例的網(wǎng)格信息與計(jì)算時(shí)間Table 1 Mesh information and calculate time of validation example

圖13 升力系數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Fig.13 Verification result of lift coefficient

(a) 無(wú)域盒 (b) 平頂域盒

如圖14為無(wú)域盒與有平頂域盒時(shí)，棱柱轉(zhuǎn)動(dòng)到90°后的網(wǎng)格變化對(duì)比圖，可以確認(rèn)在有域盒時(shí)，即使棱柱在大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，表面網(wǎng)格仍可維持很高的質(zhì)量。由驗(yàn)證結(jié)果可知，通過(guò)添加動(dòng)網(wǎng)格域盒可以準(zhǔn)確而快速的實(shí)現(xiàn)刮水器瞬態(tài)氣動(dòng)升力的計(jì)算，圖15為添加平頂域盒后的刮水器模型。

3.2 基于UDF的動(dòng)網(wǎng)格域盒運(yùn)動(dòng)邊界控制

為實(shí)現(xiàn)刮水器動(dòng)態(tài)仿真盡可能接近實(shí)際工作情況，即以一定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度上行至最大角度后短暫停頓，再以相同的速度下行至初始位置，本文通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)方式。

圖15 添加平頂域盒的刮水器模型Fig.15 Wiper model with the flat domain-box

定義擋風(fēng)玻璃為可變形體，定義刮水器、域盒以及盒內(nèi)網(wǎng)格為剛體運(yùn)動(dòng)，速度為1.5 rad/s，取初始位置為0°，刮水器上行至90°，停滯0.3 s后下行至初始位置，停滯0.5 s，至此一個(gè)周期結(jié)束進(jìn)入下一個(gè)周期。其控制函數(shù)如下：

for (i=0;i<=n;i++)

{if (2i

omega[0]=1.5; 刮水器上行

else if (2i+1.35

omega[0]=-1.5; 刮水器下行

else

omega[0] =0 刮水器停滯}

3.3 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

表2為上行計(jì)算至15°時(shí)(無(wú)域盒算例因出現(xiàn)負(fù)體積而無(wú)法計(jì)算完成)，刮水器未添加域盒與添加平頂域盒的網(wǎng)格信息和計(jì)算時(shí)間。相比于簡(jiǎn)單的四棱柱模型而言，運(yùn)動(dòng)邊界更復(fù)雜的刮水器采用域盒方法優(yōu)點(diǎn)更加凸顯。

表2 動(dòng)態(tài)刮水器的網(wǎng)格信息與計(jì)算時(shí)間(15°)Table 2 Mesh information andcalculate time of dynamic wiper(15°)

圖16為刮水器刮至15°時(shí)的網(wǎng)格變化情況，對(duì)比圖14可以看出，運(yùn)動(dòng)邊界越復(fù)雜，域盒對(duì)于維持網(wǎng)格質(zhì)量和尺寸的效果越明顯。

(a) 無(wú)域盒 (b) 平頂域盒

圖17所示為B型三段刮水器在風(fēng)速為18 m/s下的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)態(tài)結(jié)果的對(duì)比圖，在轉(zhuǎn)角處于0到45°時(shí)，上行時(shí)的升力小于穩(wěn)態(tài)結(jié)果，下行時(shí)大于穩(wěn)態(tài)結(jié)果，轉(zhuǎn)角大于45°后，瞬態(tài)結(jié)果與穩(wěn)態(tài)結(jié)果相差不大。此外瞬態(tài)結(jié)果峰值的出現(xiàn)位置分別位于穩(wěn)態(tài)結(jié)果峰值處的兩側(cè)。

圖17 上下行時(shí)瞬態(tài)氣動(dòng)升力變化與穩(wěn)態(tài)結(jié)果Fig.17 Lift of dynamic wiper

為進(jìn)一步了解上行與下行時(shí)刮水器周圍的流場(chǎng)信息，截取45°時(shí)經(jīng)過(guò)刮水器中心的縱截面。如圖18(a)，在刮水器上行時(shí)，其速度方向與氣流方向一致，兩者的相互作用相對(duì)較弱，刮水器周圍氣流能較為順利的通過(guò)，迎風(fēng)面的氣流速度分布均勻，上部氣流速度大約為12.5 m/s，從上至下有略微的降低，刮水器頂部負(fù)壓為-140 Pa，后部氣流有輕微的擾動(dòng)，但未形成渦；而在刮水器下行時(shí)，如圖18(b)，其速度方向與氣流方向相反，兩者相互作用增強(qiáng)，雖然迎風(fēng)面上部氣流速度也為12.5 m/s，但從上至下的降低幅度較大，迎風(fēng)面底部的速度降到了7.5 m/s，使刮水器下表面的靜壓增大，這是其升力增大的原因之一，此時(shí)頂部的氣流擾動(dòng)劇烈，有大角度的轉(zhuǎn)向，使氣流向上的速度分量偏大，導(dǎo)致頂部的負(fù)壓區(qū)壓力減小到-280 Pa，使刮水器受到更大的向上的拉力，這是其升力增大的原因之二，氣流擾動(dòng)致使刮水器后部形成了尺度較大的螺旋渦，在背風(fēng)面氣流以較高的速度竄進(jìn)刮水器與擋風(fēng)玻璃形成的凹槽內(nèi)，此為刮水器升力增大的原因之三。由于上述三個(gè)原因，導(dǎo)致下行時(shí)的升力相對(duì)上行時(shí)有所增大。

(a) 上行 (b) 下行

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)四種刮水器進(jìn)行試驗(yàn)及仿真研究，發(fā)現(xiàn)氣流對(duì)刮水器的影響足以降低其工作效率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中此影響不容忽視，并得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得到的氣動(dòng)升力最大可抵消68.6%的預(yù)壓力。不同外型的刮水器氣動(dòng)升力特性不同，但隨著刮刷角度及來(lái)流速度變化的規(guī)律一致，峰值均出現(xiàn)在44°、19 m/s處附近。

2) 刮水器氣動(dòng)升力產(chǎn)生的原因是上下表面的壓力差，受來(lái)流影響較大。當(dāng)刮水器處于不同角度時(shí)，升力的大小決定于迎風(fēng)面風(fēng)速，背風(fēng)面螺旋渦以及氣流流向與刮水器的夾角。

3) 刮水器運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)周圍的氣流會(huì)造成巨大影響，瞬態(tài)模擬能更真實(shí)地反映刮水器刮刷過(guò)程中的氣動(dòng)特性，刮水器上行時(shí)受到的氣動(dòng)升力小于穩(wěn)態(tài)值，下行時(shí)受到的氣動(dòng)升力大于穩(wěn)態(tài)值。

本文采用的數(shù)值方法較好地分析了刮水器氣動(dòng)升力的變化規(guī)律，可以廣泛應(yīng)用到刮水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析中。

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The experimental and numerical research on aerodynamic lift of automobile windshield wiper

Tan Peng1, Gu Zhengqi1,2,*, Chen Zhen1, Feng Chengjie1, Zhang Qidong1

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBodyHunanUniversity,Changsha410082,China；2.HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China)

Current researches on the aerodynamic lift of automobile windshield wiper are widely focused on the steady numerical calculation of static angle, and the research results of different papers are various, yet no test result can be found to support the simulations. A wind tunnel test is designed and executed to validate and verify the simulation method. Steady aerodynamic lifts of four kinds of wipers with different wind speeds and different rotate angles are measured using multi-point test method. The combination of wind tunnel test and steady numerical calculation helps understanding of lift generation and variation. Furthermore, a new dynamic mesh strategy called the domain-box of dynamic mesh is proposed, the transient aerodynamic lift is simulated and analyzed with User Definition Function method (UDF). The researching result shows that the maximum aerodynamic lift of all four wipers can counteract 68.6% of the precompression, the effect of aerodynamic lift on the stability of wiper cannot be ignored. The lift will achieve its maximum at a certain wind speed and angle, and the magnitude of lift depends on the wind speed of the windward side, the spiral vortex of the leeward and the angle between wind and wiper. Furthermore, the aerodynamic lift is lower than that of steady case when the wipers ascends, and higher when descends.

windshield wiper; aerodynamic lift; wind tunnel test; domain-box of dynamic mesh

0258-1825(2017)02-0234-08

2015-01-27;

2015-05-27

中央財(cái)政支持地方高校專項(xiàng)資金項(xiàng)目-創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(0420036017)；交通運(yùn)輸部新世紀(jì)十百千人才培養(yǎng)項(xiàng)目(20120222)；湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助項(xiàng)目(734215002)

譚鵬(1988-)，男，湖北利川人，碩士研究生，從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究. E-mail：jordanvon@163.com

谷正氣*(1963-)，男，湖南長(zhǎng)沙人. E-mail: guzhengqi63@126.com

譚鵬, 谷正氣, 陳陣, 等. 汽車刮水器氣動(dòng)升力的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 35(2): 234-241.

10.7638/kqdlxxb-2015.0011 Tan P, Gu Z Q, Chen Z, et al. The experimental and numerical research on aerodynamic lift of automobile windshield wiper[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 234-241.

U461.1

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0011