0 前言

    由于高速公路的發(fā)展，汽車(chē)車(chē)速的提高，人們對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、安全性與舒適性提出了越來(lái)越高的要求。汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性。側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性是汽車(chē)空氣動(dòng)力特性的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。高速行駛的車(chē)輛經(jīng)常會(huì)遇到側(cè)向風(fēng)的干擾。當(dāng)側(cè)向風(fēng)作用于車(chē)輛時(shí)，會(huì)使氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩發(fā)生變化，從而引起汽車(chē)行駛特性的改變，使車(chē)輛偏離正常的行駛方向。為了消除汽車(chē)的偏離運(yùn)動(dòng)，駕駛員要隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，這將導(dǎo)致駕駛員疲勞，極易引起交通事故的發(fā)生。因此，為了保證行車(chē)安全，研究側(cè)風(fēng)對(duì)于高速行駛車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響是非常必要的，對(duì)汽車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)被運(yùn)用到汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究中。汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬就是利用數(shù)值模擬的方法對(duì)汽車(chē)行駛中的外流場(chǎng)進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，有效地改善汽車(chē)性能、節(jié)約研究資金、提高研究效率。

    本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)長(zhǎng)安自主品牌汽車(chē)某車(chē)型進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)CFD計(jì)算，詳細(xì)分析了不同側(cè)風(fēng)偏角下的汽車(chē)氣動(dòng)特性，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果擁有良好的一致性，驗(yàn)證了整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析的有效性和可行性。

1 理論基礎(chǔ)

    控制所有流體流動(dòng)的基本定律是：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（又稱(chēng)納維爾一斯托克斯方程）和能量方程。由它們聯(lián)立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡(jiǎn)稱(chēng)N-S方程組，N-S方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律�，F(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的是雷諾時(shí)均N-S方程。求解偏微分方程的數(shù)值方法主要分為有限差分法、有限元法及有限體積法3種。STAR-CCM+使用的是有限體積法。

2 建立計(jì)算模型

    2.1 幾何模型

    對(duì)車(chē)體表面及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行不同程度的細(xì)化。幾何模型如下圖1所示，建立計(jì)算域如下圖2所示。

圖1 車(chē)體幾何模型

圖2 計(jì)算域

    本文采用hypermesh進(jìn)行幾何清理和劃分面網(wǎng)格，采用STAR-CCM+包面，remesh，劃分體網(wǎng)格和計(jì)算。在車(chē)體表面，底盤(pán)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的不同區(qū)域采用不同的網(wǎng)格尺寸，有利于提高計(jì)算精度和計(jì)算的收斂性與穩(wěn)定性。下圖3為中截面體網(wǎng)格分布，圖中所示對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行了加密處理。

圖3 中截面體網(wǎng)格分布

    2.2 邊界條件

    車(chē)輛在行駛過(guò)程中遇到側(cè)風(fēng)的情形如圖4所示。圖中v1為側(cè)向風(fēng)速，v2為車(chē)輛的行駛速度，VR為車(chē)速與側(cè)向風(fēng)速的合成速度，側(cè)風(fēng)偏角為V2與VR的夾角。入口速度和左壁面速度大小均為車(chē)速v2與側(cè)向風(fēng)速v1的合成速度VR，速度方向與車(chē)輛模型間的夾角為側(cè)風(fēng)偏角a。

    如圖4所示，側(cè)風(fēng)狀態(tài)下左壁面和車(chē)身前面為速度進(jìn)口，右壁面和車(chē)體后面為壓力出口，其它為固壁。本文采用Realizable K-E湍流模型，壁面采用STAR-CCM+推薦設(shè)置-Two-Layer All y+Wall Treatment。

圖4 速度示意圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

    側(cè)風(fēng)進(jìn)風(fēng)口為車(chē)身左側(cè)（如圖4），本文分別模擬了整車(chē)側(cè)風(fēng)偏角a為00，50，100三種狀態(tài)。圖5為車(chē)體前后表面壓力分布圖。由圖中可知，隨著側(cè)偏角a度數(shù)的增加，車(chē)體前臉右側(cè)正高壓區(qū)逐漸增加，左側(cè)壓力逐漸減小。尾部壓力隨著側(cè)偏角增加，而逐漸減小。

圖5 車(chē)體前后表面壓力分布

圖6 車(chē)體表面左右兩側(cè)壓力分布對(duì)比

    從圖6可以看出，側(cè)偏角a為0，即汽車(chē)不受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，左右側(cè)面的壓力分布基本相同，左右側(cè)面壓差接近于零，即側(cè)向力也接近于零。隨著側(cè)風(fēng)偏角的增加，車(chē)身左側(cè)面受到的壓力增大，升高的區(qū)域最先出現(xiàn)在前端，并向后發(fā)展，所以左側(cè)面壓力作用點(diǎn)更靠近車(chē)身前部。右側(cè)壓力作用點(diǎn)更靠近車(chē)身后方，所以車(chē)身會(huì)受到繞Z軸順時(shí)針?lè)较虻臋M擺力矩的作用，從而不利于行車(chē)安全。

圖7 Z=0.4m截面速度分布圖對(duì)比

    從圖6和圖7可以看出，在側(cè)風(fēng)的影響下，部分氣流從車(chē)身左側(cè)經(jīng)車(chē)頂流到車(chē)身右側(cè)。同時(shí)隨著側(cè)偏角的增大，尾部低速區(qū)逐漸向右側(cè)移動(dòng)，車(chē)身左右兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)性增加，左右壓差增大，側(cè)向力也隨之產(chǎn)生。隨著側(cè)偏角的增大，兩側(cè)壓差變大，側(cè)向力也隨之增大，側(cè)向力系數(shù)升高。

4 計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

    基于試驗(yàn)樣車(chē)的整車(chē)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)安某車(chē)型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了0°，5°，10°偏角時(shí)的整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)Cd和整車(chē)側(cè)力系數(shù)Cs，并將其與CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖8 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

    從圖8可知，在側(cè)風(fēng)條件下，Cd的誤差在3%左右，計(jì)算誤差保持了一致性，表明數(shù)值模型在模擬Cd時(shí)，有很好的穩(wěn)健性。同時(shí)，隨著側(cè)偏角的增大，阻力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)均增大，其中，側(cè)力系數(shù)增大更為明顯，不利于汽車(chē)的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

    (1)從CFD計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，在側(cè)風(fēng)的作用下，側(cè)向力系數(shù)和升力系數(shù)都隨著側(cè)偏角的增大而增大，側(cè)向力系數(shù)增大更為明顯，側(cè)向力使車(chē)身受到橫擺力矩作用，影響行駛安全。

    (2)利用CFD方法能很好的描述典型汽車(chē)外流場(chǎng)，并能合理地預(yù)測(cè)流場(chǎng)的主要特征。同時(shí)充分說(shuō)明使用STAR-CCM+進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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本文標(biāo)題：不同側(cè)風(fēng)偏角下的汽車(chē)氣動(dòng)特性模擬研究

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