0 前言
由于高速公路的發(fā)展，汽車車速的提高，人們對汽車的操縱穩(wěn)定性、安全性與舒適性提出了越來越高的要求。汽車空氣動力學(xué)特性直接影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性。側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性是汽車空氣動力特性的一個重要研究內(nèi)容。高速行駛的車輛經(jīng)常會遇到側(cè)向風(fēng)的干擾。當(dāng)側(cè)向風(fēng)作用于車輛時，會使氣動力和氣動力矩發(fā)生變化，從而引起汽車行駛特性的改變，使車輛偏離正常的行駛方向。為了消除汽車的偏離運動，駕駛員要隨時轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，這將導(dǎo)致駕駛員疲勞，極易引起交通事故的發(fā)生。因此，為了保證行車安全，研究側(cè)風(fēng)對于高速行駛車輛氣動特性的影響是非常必要的，對汽車的設(shè)計開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。
隨著計算機技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，計算流體力學(xué)被運用到汽車空氣動力學(xué)研究中。汽車外流場數(shù)值模擬就是利用數(shù)值模擬的方法對汽車行駛中的外流場進行分析，與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，有效地改善汽車性能、節(jié)約研究資金、提高研究效率。
本文利用計算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對長安自主品牌汽車某車型進行了空氣動力學(xué)CFD計算，詳細分析了不同側(cè)風(fēng)偏角下的汽車氣動特性，并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果擁有良好的一致性，驗證了整車空氣動力學(xué)仿真分析的有效性和可行性。
1 理論基礎(chǔ)
控制所有流體流動的基本定律是：質(zhì)量守恒定律、動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、動量方程（又稱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，簡稱N-S方程組，N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律。現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的是雷諾時均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 建立計算模型
2.1 幾何模型
對車體表面及發(fā)動機艙內(nèi)部進行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚﹃P(guān)鍵零部件進行不同程度的細化。幾何模型如下圖1所示，建立計算域如下圖2所示。
圖1 車體幾何模型
圖2 計算域
本文采用hypermesh進行幾何清理和劃分面網(wǎng)格，采用STAR-CCM+包面，remesh，劃分體網(wǎng)格和計算。在車體表面，底盤和發(fā)動機艙的不同區(qū)域采用不同的網(wǎng)格尺寸，有利于提高計算精度和計算的收斂性與穩(wěn)定性。下圖3為中截面體網(wǎng)格分布，圖中所示對關(guān)鍵部分進行了加密處理。
圖3 中截面體網(wǎng)格分布
2.2 邊界條件
車輛在行駛過程中遇到側(cè)風(fēng)的情形如圖4所示。圖中v1為側(cè)向風(fēng)速，v2為車輛的行駛速度，VR為車速與側(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速v2與側(cè)向風(fēng)速v1的合成速度VR，速度方向與車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)下左壁面和車身前面為速度進口，右壁面和車體后面為壓力出口，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 計算結(jié)果及分析
側(cè)風(fēng)進風(fēng)口為車身左側(cè)（如圖4），本文分別模擬了整車側(cè)風(fēng)偏角a為00，50，100三種狀態(tài)。圖5為車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 車體前后表面壓力分布
圖6 車體表面左右兩側(cè)壓力分布對比
從圖6可以看出，側(cè)偏角a為0，即汽車不受側(cè)風(fēng)作用時，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)面壓力作用點更靠近車身前部。右側(cè)壓力作用點更靠近車身后方，所以車身會受到繞Z軸順時針方向的橫擺力矩的作用，從而不利于行車安全。
圖7 Z=0.4m截面速度分布圖對比
從圖6和圖7可以看出，在側(cè)風(fēng)的影響下，部分氣流從車身左側(cè)經(jīng)車頂流到車身右側(cè)。同時隨著側(cè)偏角的增大，尾部低速區(qū)逐漸向右側(cè)移動，車身左右兩側(cè)不對稱性增加，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 計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比
基于試驗樣車的整車數(shù)據(jù)，對長安某車型進行了風(fēng)洞試驗，獲得了0°，5°，10°偏角時的整車風(fēng)阻系數(shù)Cd和整車側(cè)力系數(shù)Cs，并將其與CFD數(shù)值模擬計算結(jié)果進行了對比。
圖8 試驗與仿真結(jié)果對比
從圖8可知，在側(cè)風(fēng)條件下，Cd的誤差在3%左右，計算誤差保持了一致性，表明數(shù)值模型在模擬Cd時，有很好的穩(wěn)健性。同時，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，不利于汽車的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟性。
5 結(jié)論
(1)從CFD計算結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果對比可知，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外流場，并能合理地預(yù)測流場的主要特征。同時充分說明使用STAR-CCM+進行空氣動力學(xué)仿真具有實際的指導(dǎo)意義。
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本文標(biāo)題：不同側(cè)風(fēng)偏角下的汽車氣動特性模擬研究
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