汽車雨刮器的瞬態氣動特性

陳陣，谷正氣, 2，張勇, 2，宗軼琦，黃泰明

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汽車雨刮器的瞬態氣動特性

陳陣1，谷正氣1, 2，張勇1, 2，宗軼琦1，黃泰明1

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙，410082；2. 湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲，412007)

通過編譯用戶自定義函數(UDF)，利用動網格技術，通過數值計算得到雨刮器的瞬態氣動特性，并進行風洞試驗驗證。通過分析前風窗及雨刮器表面的壓力及流場分布，探討作用在主、副雨刮器上氣動升力及氣動阻力的變化規律及其對雨刮器穩定性的影響，并引入6個離散位置的穩態計算以進行對比分析。研究結果表明：雨刮器在刮刷過程中受到的氣動升力及氣動阻力存在最大值，且遵循一定的變化規律，下行時受到的氣動升力及氣動阻力比上行的大，上行時受到的氣動升力及氣動阻力大于穩態值，作用在主雨刮器的氣動升力及氣動阻力比副雨刮器的大；采用的數值模擬方法充分捕捉到雨刮器刮刷過程中的動態效應，所得部分結果與風洞試驗結果相吻合，可用于雨刮器的設計與氣動特性評價。

雨刮器；氣動特性；動網格；風洞試驗

汽車在高速行駛時，雨刮器會受到浮力作用，當雨刮器設計時的預緊力不足以克服浮力時，就會出現上浮，這將直接導致前風窗上的雨水無法刮刷干凈，影響駕駛員視野，從而引發交通事故。同時，雨刮器的上浮也會影響其使用壽命，造成經濟損失。浮力與雨刮器外型決定的氣動特性有關[1?6]，然而，人們對大部分雨刮器的設計并未考慮其氣動特性，因此，需要一種普遍而又準確的雨刮器設計和評估方法。國外已較早地將數值模擬應用于二維雨刮器模型的氣動升力計算[1?2, 7]。PHILIPPE等[8?10]通過模擬三維雨刮器的氣動特性，研究了雨刮器各個部件對氣動性能的影響，并提出一種加裝擾流器和翅片的改進方案。SéBASTIEN等[11?14]研究了不同外形及不同掛刷角度下雨刮器氣動升力的變化規律；張軍海[15]對比分析了雨刮器在3種特定位置下的氣動特性；YANG等[16]分析了主、副雨刮器的穩態氣動特性；LIN等[17]研究分析了雨刮器外型對其氣動力的影響；GAYLARD等[18]分析了雨刮器周圍的流場特性。然而，這些研究都是針對雨刮器的穩態氣動特性進行的，結果難免會出現一定偏差。準確的數值模擬方法是精確分析雨刮器氣動特性的基礎。雨刮器的運動對周圍流場產生了巨大的影響，刮雨過程為瞬態三維過程。本文結合動網格技術進行數值求解，利用計算流體力學軟件FLUENT，通過編譯用戶自定義函數(UDF)實現雨刮器的瞬態過程，對行駛中汽車雨刮器的瞬態氣動特性進行研究，以便為雨刮器結構設計與穩定性分析提供參考。

1 計算模型和方法

1.1 雨刮器模型

汽車在行駛過程中，氣流從引擎蓋流至前風窗，然后經過雨刮器，流向A柱和頂棚。汽車的外形結構對雨刮器周圍的流場有很大影響，這里選用最常用的國際標模MIRA和有骨雨刮器為原型，并進行適當簡化。其三維模型如圖1所示。建立長方體計算域模擬汽車周圍流場，計算域入口至車身前部的距離為車長的3倍，出口至車身后部的距離為車長的7倍，頂部至車頂的距離為車高的4倍，兩側至車身兩側的距離均為車寬的3倍。

1.2 計算模型及邊界條件

汽車以30 m/s的速度行駛，馬赫數小于0.3，因而，汽車周圍流場可看作三維不可壓縮黏性等溫流場，可選取大渦模擬湍流模型(LES)進行數值計算。將Navier Stokes 方程在物理空間進行過濾得到LES控制方程：

式中：為流體密度；x和x為坐標軸分量；和為過濾后的速度分量；為湍流黏性系數；為過濾后壓力；τ為亞格子尺度應力[19]。

圖1 汽車與雨刮器的三維模型

為使控制方程封閉，當前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型：

式中：為克羅內克系數；為亞格子湍流黏性系數；S為求解尺度下的應力變化張量分量；τ為亞格子尺度應力的各向同性部分。計算邊界條件參數及求解參數如表1所示。

1.3 動網格技術

采用四面體及三棱柱網格進行控制方程的離散，網格總數為1 020余萬，如圖2(a)所示。

為避免由于網格運動產生的額外誤差，必須遵守動網格守恒方程。任意1個邊界移動的控制體中，廣義標量的積分守恒方程為

式中：為流體密度；為面積向量；為流體的速度矢量；為移動網格的網格速度矢量；為擴散系數；為的源項；為控制體的邊界。

表1 邊界條件及求解參數設置

動網格的更新采用網格變形和局部網格重構相結合的方法。前者的基本思想是將網格單元的各條邊看作彈簧，當邊界運動后，通過求解彈簧系統節點受力平衡問題，來確定網格點的新位置。局部網格重構法是當邊界變形導致網格尺寸或畸變率超過指定的范圍時，使用插值在計算域內重新生成網格，使網格限定在合理的范圍內。

從圖2(b)可看出：雨刮器在運行過程中，前風窗網格一部分被拉伸，一部分被壓縮；當畸變率超過設定值時，網格即發生局部重構。

(a) 模型網格；(b) 動網格變化過程

定義雨刮器為剛體運動，速度為1.5 rad/s，取初始位置為0°，主、副雨刮器同時上行至50°(根據MIRA及雨刮器的模型特征，上行至50°即可保證駕駛員的安全視野)，停滯0.3 s后下行至初始位置，停滯0.5 s，至此1個周期結束，進入下個周期。利用用戶自定義函數(UDF)實現這一運動過程，其控制函數如下：

for (=0;<=;++)

{if (2

omega[0]=1.5; \雨刮器上行

else if (2+0.9

omega[0]=-1.5; \雨刮器下行

else

omega[0] =0 \雨刮器停滯

}

1.4 模型驗證

計算得到MIRA模型的氣動阻力系數d為0.312。為了驗證本文采用的數值計算方法的正確性，在湖南大學HD-2邊界層風洞中對MIRA模型進行測力及粒子圖像測速實驗。MIRA模型為1:3縮比模型，不同風速下氣動阻力系數d試驗結果如表2所示。從表2可知：當風速超過25 m/s時，d已變化較小，進入“自準區”，消除了模型比例縮小帶來的影響；當風速為30 m/s時，實驗測得的風阻系數d為0.323 0，與本文仿真所得d相對誤差僅為3.4%，計算所得MIRA模型縱對稱面上流線圖及速度云圖與PIV試驗結果相吻合(如圖3所示)，驗證了本文數值計算方法及結果的可靠性。

表2 MIRA模型氣動阻力系數

2 計算結果分析

通過對整個瞬態刮刷過程進行計算，可得出雨刮器受到氣動升力的周期性變化規律，如圖4所示。

從圖4可看出：作用在雨刮器上的氣動升力從第3個周期開始呈現出穩定的周期性變化，充分實現了瞬態效應。氣動升力沿前風窗法向向外，氣動阻力為運動方向的反向。駕駛員處及副駕駛處雨刮器分別為主、副雨刮器，如圖5所示。

1—主雨刮器；2—副雨刮器。

(a) 副雨刮器；(b) 主雨刮器

雨刮器與前風窗表面的瞬態壓力分布、作用在雨刮器上的氣動升力及氣動阻力隨刮刷角度變化的規律和雨刮器6個離散位置的穩態計算結果如圖6~10所示。

2.1 瞬態及穩態氣動特性對比分析

2.1.1 上行階段

圖7所示為瞬態上行過程中截取的幾幅典型的壓力分布圖，據圖7定性分析雨刮器氣動特性的變化機理。從圖7可見：

1) 雨刮器從0°到5°的運動過程中，2處雨刮器均離發動機罩較近，受到前風窗與發動機罩交界處低壓區的影響較大；隨著雨刮器的遠離，低壓作用逐漸減弱，這就使得氣動阻力和氣動升力逐漸減小。

2) 雨刮器從5°到27°的運動過程中，2處雨刮器內側迎風面積增大，使得來流受到雨刮器側壁的阻滯作用增強；同時，由于雨刮器的橡膠條和支架構成了T型結構，并且與前風窗一起形成了凹槽，高速氣流必然在凹槽形成竄動，使得作用在雨刮器上的氣動升力不斷增大。

3) 雨刮器從27°到50°的運動過程中，會由前風窗表面的高壓區進入低壓區，這時前風窗表面靜壓梯度會對雨刮器產生推動作用。同時，雨刮器與來流方向的夾角逐漸減小，使得雨刮器對來流的阻滯作用減弱，故其氣動升力不斷減小。

主、副雨刮器全程受到與雨刮器行駛方向相同的氣動力影響，如圖6所示。

從圖7可見：副雨刮器在0°到10°運動過程中受到的前風窗與發動機罩交界處低壓區的影響逐漸減小，故其受到的推動作用增強，表現為氣動阻力減小；在10°到50°的運動過程中，受到前風窗表面靜壓梯度強度逐漸減小，故其氣動阻力呈現回升趨勢。主雨刮器在整個上行過程中均穩定地由高壓區行至低壓區，同時受到不斷增強的來流影響，其氣動阻力呈現穩定的下降趨勢。

1—主雨刮器(上行)；2—主雨刮器(穩態)；3—副雨刮器(上行)；4—副雨刮器(穩態)。

雨刮器運動角度/(°)：(a) 5；(b) 15；(c) 30；(d) 45

2.1.2 下行階段

瞬態下行過程中截取的幾幅典型的壓力分布圖見圖9。從圖9可見：

1) 雨刮器從50.0°到47.2°的運動過程中，其運動方向與來流方向相反并且二者夾角逐漸減小，來流對雨刮器的阻滯作用隨即增強；另一方面，雨刮器由前風窗表面低壓區進入高壓區，前方的靜壓大，后方的靜壓小，前后壓差也對雨刮器造成阻滯作用，使得作用在雨刮器上的氣動升力增至最大值。

2) 雨刮器從47.2°到0°的運動過程中，2處雨刮器受到靜壓梯度的影響逐漸減弱，來流對雨刮器的作用由側壁轉移至上表面，使得雨刮器受到的下壓影響增強，表現為氣動升力逐漸減小。在接近發動機罩與前風窗交界處的低壓區時，主雨刮器受上部低壓及副雨刮器尾流的影響，其氣動升力有較小回升。

3) 對氣動阻力而言，從50°到25°附近，主、副雨刮器內側迎風面積增大，使其受到運動方向反向的氣流作用增強，故其氣動阻力逐漸增大；在25°到0°這一行程中，雨刮器受到的靜壓梯度強度逐漸減弱，同時進入發動機罩與前風窗交界處的低壓區，故其氣動阻力表現為穩定降低。

(a) 氣動升力；(b) 氣動阻力1—主雨刮器(下行)；2—主雨刮器(穩態)；3—副雨刮器(下行)；4—副雨刮器(穩態)。

2.1.3 穩態階段

從圖6和圖8可知：雨刮器下行階段受到的氣動升力及氣動阻力明顯經上行及穩態值時的大。對比圖7、圖9及圖10所示的前風窗表面的壓力分布可以看出：下行階段雨刮器壓力梯度明顯比上行的大；另一方面，雨刮器下行時，其運動方向與來流方向相反，因此，雨刮器在下行階段受到的氣動升力及氣動阻力較大。雨刮器上行時受到的氣動升力及氣動阻力大于相應的穩態值，主要是由于瞬態模擬可以捕捉到刮刷過程中的動態效應，即雨刮器在瞬態模擬時，其上方氣流湍流加劇，形成低壓區，同時雨刮器前后的壓力梯度較大，使得瞬態結果較大。

2.2 主、副雨刮器氣動特性

圖11所示為穩態工況下主、副雨刮器流線分布。氣流流經副雨刮器到達主雨刮器時，速度大小及方向發生改變，氣流流向基本與主雨刮器垂直，這就使得主雨刮器迎風面積劇增，背風面漩渦急劇增強。同時，由圖12所示的雨刮器處于30°位置時的速度分布可知主雨刮器前后速度梯度較大，根據伯努利定理，流速越快，氣流產生的壓力就越小，這就使得主雨刮器受到的壓差影響較大。

雨刮器運動角度/(°)：(a) 45；(b) 30；(c) 15；(d) 5

雨刮器運動角度/(°)：(a) 5；(b) 15；(c) 30；(d) 45

30°時雨刮器周圍速度流線圖分布如圖12所示。從圖12可見：主雨刮器背風面氣流紊亂，特別是在接近前風窗處產生明顯的漩渦；相較于主雨刮器，副雨刮器在30°位置時的氣流分布較均勻、平順，因此，主雨刮器受到的氣動阻力及氣動升力比副雨刮器的大；雨刮器刮臂前后的速度梯度受其運動工況影響較大，下行時的速度梯度明顯比上行的大，而上行時的速度梯度又略比穩態時的大，下行時的漩渦位置也較低，范圍也更廣，再次驗證了瞬態結果大于穩態結果的結論。

圖11 30°時雨刮器周圍穩態速度流線圖分布

(a) 副雨刮器(穩態)；(b) 主雨刮器(穩態)；(c) 副雨刮器上行至30°；(d) 主雨刮器上行至30°；(e) 副雨刮器下行至30°；(f) 主雨刮器下行至30°

綜上所述，在1個運動周期內，作用在主雨刮器上的氣動升力和氣動阻力的最大值分別為6.50 N和11.20 N，出現在下行47.2°和27°；作用在副雨刮器上的氣動升力和氣動阻力的最大值分別為4.25 N和8.65 N，出現在下行47°和24°，此結果遠大于穩態值，與實際情況相符，并且與文獻[9?11]中的結果較接近。

3 結論

1) 瞬態模擬更真實地反映了雨刮器在刮刷過程中的氣動特性。在刮刷過程中，雨刮器受到的氣動升力及阻力隨刮刷角度變化并出現較大波動，最大值出現在下行時某特定角度。

2) 雨刮器下行時受到的氣動升力及氣動阻力比上行的大，而上行時受到的氣動升力及氣動阻力又大于相應的穩態值，作用在主雨刮器上的氣動升力及氣動阻力比副雨刮器的大。

3) 本文采用的數值模擬方法能較好地用于分析雨刮器的瞬態氣動特性和雨刮器結構設計與穩定性。

4) 雨刮器和汽車的外形結構、雨刮器的擺動頻率、附著在前風窗及雨刮器表面的水膜等都會影響雨刮器的氣動特性，以上問題有待于進一步研究。

參考文獻：

[1] SAKODA Y, NAKAGAWA H, KAMEYAMA K. Visualization technology of automobile aerodynamic[J]. Flow Visualization, 1986, 6(21): 256?274.

[2] SHIBATA T, SAKODA Y. Research on the automobile wipers floating[J]. Automobile Technology Academic Lectures, 1979, 791: 124?156.

[3] TOSHIKAZU S, MASANORI S, KUNIO N. A study on aerodynamic characteristics of passenger cars[J]. SAE Technical Paper, 1983?11?07.

[4] 谷正氣. 汽車空氣動力學[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005: 120?125. GU Zhengqi. Automobile aerodynamics[M]. Beijing: China Communications Press, 2005: 120?125.

[5] 袁志群, 谷正氣, 劉金武. 計及車身附件氣動干涉影響的汽車流場數值仿真研究[J]. 汽車工程, 2010, 32(12): 1033?1037. YUAN Zhiqun, GU Zhengqi, LIU Jinwu. A study on the numerical simulation of vehicle flow field with the aerodynamic interference of attachments considered[J]. Automotive Engineering, 2010, 32(12): 1033?1037.

[6] 劉龍貴, 谷正氣, 張勇, 等. 汽車車身部件氣動噪聲貢獻量數值模擬研究[J]. 科學技術與工程, 2014, 14(10): 89?94. LIU Longgui, GU Zhengqi, ZHANG Yong, et al. Numerical simulation study of automobile components aerodynamic noise contributions[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(10): 89?94.

[7] TSUNODA A. The aerodynamic characteristics of automobile wipers[J]. Automobile Technology Academic Lectures, 1984, 842: 39?52.

[8] PHILIPPE B, SéBASTIEN J, FRéDéRIC M. Simulation of aerodynamic uplift consequences on pressure repartition: application on an innovative wiper blade design[J]. SAE Technical Paper, 2001?01?1043.

[9] HARASHIMA M, MASUDA A, IMAMURA S. Effect of fin on the wiper lift characteristics in high-speed[J]. Journal of the Visualization Society of Japan, 2000, 20(2): 73?76.

[10] TAKADA K, KOMORIYA T, FURUGORI Y. Numerical simulation of wiper blade uplifting on high speed traveling[J]. The Japan Society of Mechanical Engineers, 2003, 48(38): 38?39.

[11] SéBASTIEN J, DANIEL M, SYLVAIN D, et al. Numerical simulation of wiper system aerodynamic behavior[J]. SAE Technical Paper, 2001?01?0036.

[12] SEUNG-HO L, SUNG-WON L, SANG-HYUK L, et al. Numerical study on aerodynamic lift on windshield wiper of high-speed passenger vehicles[J]. Transactions of the KSME: B, 2011, 35(4): 345?352.

[13] SEUNG-HO L, SUNG-WON L, SANG-HYUK L, et al. Numerical study on aerodynamic lift on windshield wiper of high-speed passenger vehicles[J]. The Proceedings of Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow, 2009, 9(3): 185?190.

[14] JI-SOO H, TAE-KWON K, KWAN-HEE K, et al. A study on the lift characteristics according to the change of blade angle in car wiper[J]. Journal of Korean Society of Mechanical Technology, 2013, 15(1): 27?31.

[15] 張軍海.基于FLUENT的高速機車氣動刮雨器數值模擬研究[D]. 成都: 西南交通大學機械工程學院, 2010: 51?53. ZHANG Junhai. Numerical simulation of the aerodynamic wiper on high-speed locomotives based on FLUENT[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University. School of Mechanical Engineering, 2010: 51?53.

[16] YANG Zhigang, JU Xiaming, LI Qinlin. Numerical analysis on aerodynamic forces on wiper system[J]. Recent Progress in Fluid Dynamics Research, 2011, 1376: 213?217.

[17] LIN C F, HUNG M F, TSENG C Y, et al. Numerical investigation of aerodynamic effects on windshield wiper[J]. Journal of Technology, 2005, 20(4): 325?332.

[18] GAYLARD A, WILSON A C, BAMBROOK G S J. A quasi-unsteady description of windscreen wiper induced flow structures[C]//6th MIRA International Conference on Vehicle Aerodynamics. Nuneaton: MIRA Ltd., London, 2006: 25?34.

[19] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 139?142. WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 139?142.

(編輯 陳燦華)

Transient aerodynamic characteristics of windscreen wipers of vehicles

CHEN Zhen1, GU Zhengqi1, 2, ZHANG Yong1, 2, ZONG Yiqi1, HUANG Taiming1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Mechanical Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Combined with the dynamic meshing and user-defined functions(UDF), transient aerodynamic characteristics of wipers were obtained through numerical simulations and were validated by wind tunnel test. Through the analysis of the distribution of the pressure and streamlines around the front windshield and wipers, the change process of the wipers' aerodynamic characteristics and influence of the aerodynamic force on wipers’ stability were discussed. The simulations at six steady discrete locations were also introduced as a contrast. The results show that the maximum values of lift and drag force exist when wipers work, and there is a certain change rule. The lift and drag force is greater than that of ascending, and the force is greater than steady value when wipers descend. The lift and drag force of driver side wiper is greater than that of passenger side wiper. The numerical simulation fully captures the dynamic effects of the wiper, and the results are consistent with those of the wind tunnel experiment, which can be used in the evaluation of the aerodynamic characteristics and design of the vehicle wipers.

windscreen wiper; aerodynamic characteristics; dynamic mesh; wind tunnel test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.042

U461.1

A

1672?7207(2016)10?3597?08

2015?11?23；

2016?01?10

國家自然科學基金資助項目(50975083)；交通運輸部新世紀十百千人才培養項目(20120222)；中國高水平汽車自主創新能力建設項目(2007)；財政部創新團隊項目(0420036017)(Project(50975083) supported by the National Natural Science Foundation of China? Project(20120222) supported by the National Hundred, Thousand and Ten Thousand Talent Program of Ministry of Transport of China; Project Supported by China High-Level Automotive Innovation Capacity-Building Projects (2007); Project(0420036017) supported by the Innovation Team of Ministry of Finance of China)

陳陣，博士研究生，從事汽車空氣動力學研究；E-mail：chenzhen88@hnu.edu.cn