轎車乘員艙內氣流對氣動阻力影響的數值模擬

王東　王艷松

摘要：為揭示轎車側窗開啟程度和乘員艙內布置對氣動阻力的影響規律，建立1∶1階背式英國汽車研究協會（Motor Industry Research Association， MIRA）標準模型；基于FLUENT，在30 m/s風速下采用可實現kε湍流模型對不同側窗開度的模型進行三維穩態數值模擬，得到氣動阻力因數隨側窗開啟程度的增大而增大的變化趨勢.在側窗全開時，改變艙內布置，得到氣動阻力因數隨假人個數的變化規律；對比不同情況下模型的流場分布發現，當考慮乘員艙內氣流時，氣動阻力的大小不僅與進氣量有關，而且受艙內流場分布的影響.

關鍵詞：氣動阻力； 乘員艙內氣流； 假人； 側窗； 三維穩態數值模擬

中圖分類號： U461.1；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

汽車的氣動阻力決定汽車的燃油經濟性，對汽車的性能影響很大.氣動阻力包括外流阻力和內流阻力.外流阻力由壓差阻力、摩擦阻力、誘導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.氣流流經車內構件時，沿程的能量損失導致內流阻力.乘員艙內流分布與開窗情況關系十分密切，并受艙內布置的影響.[1]

汽車周圍的流場分布直接影響汽車的氣動特性，乘員艙內流是汽車空氣動力學中較為復雜的部分.由于乘員艙內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，較少考慮內流影響.[2]本文采用數值仿真方法，研究開窗情況和乘員艙內假人個數對氣動阻力的影響規律，并分析其影響機理.

1湍流模型

以側窗高度為依據將車窗4等分，開窗程度定義為車窗開啟高度除以車窗總高度，車內加入儀表板.當乘員艙前后各布置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對氣動阻力的影響，改變模型⑤的艙內布置，形成以下3個模型進行對比：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，以探討乘員艙內布置對流場分布的影響.

2.2計算域和網格劃分

為提高數值模擬的準確度，在控制網格數量的同時計算域的尺寸應足夠大，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]

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

由于彈性輪胎與地面接觸時會產生變形，輪胎與地面有夾角，網格質量較差，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小于聲速，可認為空氣是不可壓縮的.假設汽車在無風、平直路面上等速直線運動，同時忽略空氣物理性質參數的變化，即認為空氣的溫度、黏性和參考壓強等不變，因此汽車外流場為三維穩態不可壓縮流體.[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

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

3計算結果和分析

3.1開窗程度對氣動阻力的影響

在不同側窗開啟程度下的氣動阻力因數見表1.在全閉時，該模型在斯圖加特大學IVK風洞的試驗阻力因數為0.305 5[10]，數值模擬結果相比試驗值存在8.31%的誤差.同時得到側窗開啟程度氣動阻力因數曲線（見圖3），可知，氣動阻力因數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對稱面，獲得y=0平面的壓力分布進行對比.在側窗全閉或全開時y=0平面的壓力云圖見圖4.當汽車高速行駛時，車內壓力小于外界壓力，側窗打開引起外部氣流涌入，與內部構件的壁面相互作用，導致阻力增大.[11]另外，在側窗附近，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者.

由圖5可知，當側窗開啟1/4時，乘員艙內部的壓力分布相對均勻；當開啟3/4時，由于進氣量增大，乘員艙中心區域渦動量較大，氣流流速較大，壓力相對偏低，而乘員艙前、后部由于小區域渦流的存在，使得壓力相對較大；同時，當開啟3/4時，側面氣流在后背部向內的翻卷強度增大，使得尾渦增大，最終導致氣動阻力增大.

3.2艙內布置對流動分布的影響

乘員艙內的流場分布隨艙內布置的變化而變

化，從而對汽車的氣動阻力產生影響.當車窗全開時，比較假人和座椅個數對氣動阻力因數的影響，仿真結果見表2，可知，當車窗全開時，汽車的氣動阻

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

由圖6可知，乘員艙內的布置對艙內流動分布影響很大：當有4個假人和座椅時，乘員艙內空間較小，進氣量也較小；去掉后排的假人和座椅后，乘員艙內空間增大，渦流的動能也隨之增大；當僅后排有假人時，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，該渦流與乘員艙內壁面相互作用，引起氣動阻力的增大；當乘員艙內沒有假人和座椅時，進氣量更大，中心區域的渦流動能更大，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，流經汽車側面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當側窗開啟后，氣流由側后窗進入乘員艙，受艙內壁面阻滯形

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

4結論

通過改變側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軟件進行三維穩態數值模擬.由分析仿真結果可知：

（1）當側窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數最小.

（2）氣動阻力因數隨側窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內的空間布置對進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布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數受多種因素的共同作用.當考慮乘員艙內流時，既要關注進氣量，又要考慮艙內布置的影響，在不同工況下，起主導作用的因素不同，不可一概而論.

參考文獻：

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

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

[3]朱暉， 楊志剛. 皮卡車三維外流場數值研究[J]. 計算機仿真， 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值模擬的適用性[J]. 機械工程學報， 2009， 45（4）： 238242.

[5]王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京： 清華大學出版社， 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， 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， 2008.

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

[9]王佳， 楊志剛， 朱暉. 階背式MIRA模型氣動阻力數值模擬網格無關性研究[J]. 佳木斯大學學報： 自然科學版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]龐加斌， 林志興， 余卓平， 等. TJ2風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]. 江蘇大學學報： 自然科學版， 2010， 31（6）： 651655.

（編輯陳鋒杰）

為研究乘員艙內的速度流向，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，流經汽車側面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當側窗開啟后，氣流由側后窗進入乘員艙，受艙內壁面阻滯形

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

4結論

通過改變側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軟件進行三維穩態數值模擬.由分析仿真結果可知：

（1）當側窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數最小.

（2）氣動阻力因數隨側窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內的空間布置對進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布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數受多種因素的共同作用.當考慮乘員艙內流時，既要關注進氣量，又要考慮艙內布置的影響，在不同工況下，起主導作用的因素不同，不可一概而論.

參考文獻：

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（編輯陳鋒杰）

為研究乘員艙內的速度流向，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，流經汽車側面的氣流有向車身中間聚集的趨勢.由圖7～9可知，當側窗開啟后，氣流由側后窗進入乘員艙，受艙內壁面阻滯形

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

4結論

通過改變側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軟件進行三維穩態數值模擬.由分析仿真結果可知：

（1）當側窗全閉行駛時，汽車的氣動阻力因數最小.

（2）氣動阻力因數隨側窗開度的增大而增大.

（3）乘員艙內的空間布置對進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布置，會引起流場失真.

（4）汽車的氣動阻力因數受多種因素的共同作用.當考慮乘員艙內流時，既要關注進氣量，又要考慮艙內布置的影響，在不同工況下，起主導作用的因素不同，不可一概而論.

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[10]龐加斌， 林志興， 余卓平， 等. TJ2風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]. 江蘇大學學報： 自然科學版， 2010， 31（6）： 651655.

（編輯陳鋒杰）