0 前言
由于高速公路的发展,汽车车速的提高,人们对汽车的操纵稳定性、安全性与舒适性提出了越来越高的要求。汽车空气动力学特性直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。侧风稳定性是汽车空气动力特性的一个重要研究内容。高速行驶的车辆经常会遇到侧向风的干扰。当侧向风作用于车辆时,会使气动力和气动力矩发生变化,从而引起汽车行驶特性的改变,使车辆偏离正常的行驶方向。为了消除汽车的偏离运动,驾驶员要随时转动转向盘,这将导致驾驶员疲劳,极易引起交通事故的发生。因此,为了保证行车安全,研究侧风对于高速行驶车辆气动特性的影响是非常必要的,对汽车的设计开发具有重要的指导意义。
随着计算机技术和湍流理论的发展,计算流体力学被运用到汽车空气动力学研究中。汽车外流场数值模拟就是利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析,与传统的研究方法结合,有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。
本文利用计算流体力学软件STAR-CCM+对长安自主品牌汽车某车型进行了空气动力学CFD计算,详细分析了不同侧风偏角下的汽车气动特性,并与风洞试验结果进行了对比,结果拥有良好的一致性,验证了整车空气动力学仿真分析的有效性和可行性。
1 理论基础
控制所有流体流动的基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们可以分别导出连续性方程、动量方程(又称纳维尔一斯托克斯方程)和能量方程。由它们联立得到纳维尔一斯托克斯方程组,简称N-S方程组,N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律。现在工程中应用最广泛的是雷诺时均N-S方程。求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法、有限元法及有限体积法3种。STAR-CCM+使用的是有限体积法。
2 建立计算模型
2.1 几何模型
对车体表面及发动机舱内部进行适当的简化处理,并对关键零部件进行不同程度的细化。几何模型如下图1所示,建立计算域如下图2所示。
图1 车体几何模型
图2 计算域
本文采用hypermesh进行几何清理和划分面网格,采用STAR-CCM+包面,remesh,划分体网格和计算。在车体表面,底盘和发动机舱的不同区域采用不同的网格尺寸,有利于提高计算精度和计算的收敛性与稳定性。下图3为中截面体网格分布,图中所示对关键部分进行了加密处理。
图3 中截面体网格分布
2.2 边界条件
车辆在行驶过程中遇到侧风的情形如图4所示。图中v1为侧向风速,v2为车辆的行驶速度,VR为车速与侧向风速的合成速度,侧风偏角为V2与VR的夹角。入口速度和左壁面速度大小均为车速v2与侧向风速v1的合成速度VR,速度方向与车辆模型间的夹角为侧风偏角a。
如图4所示,侧风状态下左壁面和车身前面为速度进口,右壁面和车体后面为压力出口,其它为固壁。本文采用Realizable K-E湍流模型,壁面采用STAR-CCM+推荐设置-Two-Layer All y+Wall Treatment。
图4 速度示意图
3 计算结果及分析
侧风进风口为车身左侧(如图4),本文分别模拟了整车侧风偏角a为00,50,100三种状态。图5为车体前后表面压力分布图。由图中可知,随着侧偏角a度数的增加,车体前脸右侧正高压区逐渐增加,左侧压力逐渐减小。尾部压力随着侧偏角增加,而逐渐减小。
图5 车体前后表面压力分布
图6 车体表面左右两侧压力分布对比
从图6可以看出,侧偏角a为0,即汽车不受侧风作用时,左右侧面的压力分布基本相同,左右侧面压差接近于零,即侧向力也接近于零。随着侧风偏角的增加,车身左侧面受到的压力增大,升高的区域最先出现在前端,并向后发展,所以左侧面压力作用点更靠近车身前部。右侧压力作用点更靠近车身后方,所以车身会受到绕Z轴顺时针方向的横摆力矩的作用,从而不利于行车安全。
图7 Z=0.4m截面速度分布图对比
从图6和图7可以看出,在侧风的影响下,部分气流从车身左侧经车顶流到车身右侧。同时随着侧偏角的增大,尾部低速区逐渐向右侧移动,车身左右两侧不对称性增加,左右压差增大,侧向力也随之产生。随着侧偏角的增大,两侧压差变大,侧向力也随之增大,侧向力系数升高。
4 计算结果与风洞试验结果对比
基于试验样车的整车数据,对长安某车型进行了风洞试验,获得了0°,5°,10°偏角时的整车风阻系数Cd和整车侧力系数Cs,并将其与CFD数值模拟计算结果进行了对比。
图8 试验与仿真结果对比
从图8可知,在侧风条件下,Cd的误差在3%左右,计算误差保持了一致性,表明数值模型在模拟Cd时,有很好的稳健性。同时,随着侧偏角的增大,阻力系数和侧力系数均增大,其中,侧力系数增大更为明显,不利于汽车的稳定性和燃油经济性。
5 结论
(1)从CFD计算结果和风洞试验结果对比可知,在侧风的作用下,侧向力系数和升力系数都随着侧偏角的增大而增大,侧向力系数增大更为明显,侧向力使车身受到横摆力矩作用,影响行驶安全。
(2)利用CFD方法能很好的描述典型汽车外流场,并能合理地预测流场的主要特征。同时充分说明使用STAR-CCM+进行空气动力学仿真具有实际的指导意义。
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本文标题:不同侧风偏角下的汽车气动特性模拟研究