類車體超車過程氣動阻力分析研究

摘?要：采用低雷諾數（Re）SSTk-ε模型和高雷諾數（Re）SSTk-ε模型兩種方法來模擬類車體超車過程。分析了氣動阻力系數、側向力系數和傾覆力矩系統的變化規律，并對分析結果與相關的參考文獻和試驗結果進行，驗證了數值模擬方法的有效性和可行性。

關鍵詞：類車體;雷諾平均數值模擬;超車;氣動阻力

中圖分類號：TB?文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.03.091

1?引言

兩輛相向運動的汽車，其周圍空氣流動變化劇烈，同時，這種空氣流動是無規則的，也就是說，此流動隨時間和空間都呈現出不規則的脈動，俗稱湍流流動。為了能夠更好地模擬汽車超車過程中車體周圍的空氣流動，首先對汽車進行了簡化，簡化后的模型稱其為類車體（Ahmed Car）。類車體超車過程雖然不能夠完全真實地展示出汽車在超車過程中車體周圍的流場及其氣動特性，但其與汽車超車過程中的車體周圍的流場及氣動特性的變化趨勢基本一致。

與汽車運動一致，簡化后的類車體（Ahmed Car）在運動過程中，其周圍流場具有湍流特性。為了更好地模擬類車體超車過程中其車體周圍的流場特性，本文選用7：10的類車體縮尺模型，采用雷諾平均數值模擬的方法，模擬Ahmed Car的超車過程，根據模擬結果，分析氣動阻力系數等氣動特性，同時，將計算結果與參考文獻結果、試驗結果進行對比，驗證本文數值模擬計算方法的有效性和可行性。

2?幾何模型及流暢空間離散

類車體（Ahmed Car）是汽車等近地運動物體的簡化模型。參考文獻[2]，在研究類車體超車過程中，類車體幾何模型結構及相關尺寸如圖1所示。圖中尾部傾角α為30°，在兩種類型的雷諾數計算過程中，該傾角保持不變。

在本模型中，設置溫度為25°C，運動粘性系數ν=1.55×10-5m2/s，空氣密度為ρ=1.1805kg/m3;采用雷諾平均數值模擬中的低雷諾數SSTk-ε模型和高雷諾數SSTk-ε兩種方法來模擬類車體超車過程，之后，對模擬結果進行分析研究。

利用ICEM網格劃分軟件，在網格劃分過程中，將整個模型分為5個子模塊，分別對5個子模塊進行網格化分，在參數設置前，利用STAR-CD軟件中的耦合技術，將5個模型合為一體。同時，根據流場流動的特點，并結合滑移網格化的需要，在網劃分過程中應用了5Body（圖2所示）的做法。

本文中，低雷諾數計算模型網格總數約為598萬（y+=1）和575萬（y+=3），高雷諾數計算模型網格總數約為470萬。不同計算方法，導致網格數量的不同，在網格劃分過程中，結合后期模擬過程，并運用相對運動原理，可將整個網格分為兩種類型，即運動網格和靜止網格，不同計算中，靜止網格分布基本一致，而網格數量的差異在運動網格布置上，網格布置方式主要依據了流體運動的特性。

3?數值計算方法

類車體外部繞流的氣流形態主要有兩種：層流和湍流。對層流而言，流體流動是有規律的分層流動，層與層之間的流動互不干擾;湍流狀態，流體流動是不規則的，流場中流體的速度、壓力等隨時間和空間都呈現出不規則的脈動。

雷諾平均數值模擬從雷諾平均方程出發，預測湍流的平均速度場、平均標量場和平均作用力。該方法的網格尺度允許較大，對計算機內存和速度的要求是三者中最低的，因此它也是目前工程湍流計算中所采用的主要方法，也是本文所運用的方法。在雷諾平均數值模擬中，又分為不同種類型的模型，其中，1994年MenterF R提出了SSTk-ω剪切應力輸運模型，它是一種在工程上得到廣泛應用的混合模型，在近壁面采用Wilcoxk-ω模型，在邊界層邊緣和自由剪切層應用了k-ε模型。因此在本文的湍流模型選用中，選用了低雷諾數SSTk-ε模型和高雷諾數SSTk-ε模型。

4?計算結果

4.1?基于低雷諾數湍流模型模擬

在低雷諾數湍流模型模擬過程中，采用了y+=1和y+=3兩種壁面法向無量綱距離。同時，為了便于數值模擬，在超車過程中，設置一輛車為靜止車，另一輛車為運動車，一靜一動的結合，簡化了兩輛車同時運動時超車的繁瑣性。

氣動阻力集中反映了湍流流場與車體之間的相互作用，流場運動越劇烈，相互作用越強烈。圖3（a）（b）（c）和圖4（a）（b）（c）均反映了車體在運動過程中，隨著兩車的距離的靠近，車體所受到的氣動阻力上升，隨著兩車距離的遠去，車體所受到的氣動阻力逐漸下降。

圖3（a）（b）（c）分別給出了兩種y+下相對靜止車的總阻力系數、壓差阻力系數和粘性阻力系數曲線圖。從圖中可以看出，相對靜止車總阻力、壓差阻力系數在不同y+下，其曲線走勢是一致的，但其峰值略有差異;粘性阻力系數其值變化很小，兩種y+下其值均約在-0.188至-0.182之間變化。

圖4（a）（b）（c）分別給出了兩種y+下相對運動車的總阻力系數、壓差阻力系數和粘性阻力系數曲線圖?？傮w上，運動車與靜止車在相遇之前，其各種阻力系數基本保持恒定，但，運動車與靜止車相比，在兩車相遇之前，運動車的各種阻力系數的波動在略大一些的范圍內保持恒定。從圖4（a）（b）中可以看出，y+=3曲線的恒定范圍約為0.07至0.11，而y+=1曲線的恒定范圍約為0.045至0.076;這表明運動網格越密，模擬結果越精細。從圖4（c）中可以看出，在整個超車過程中，兩種不同的y+下，粘性阻力系數均在-0.18至-0.16之間變化，換句話說，在類車體超車過程中，粘性引起的阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計。

4.2?基于高雷諾數湍流模型模擬

根據壁面法向距離的不同，低雷諾數湍流模型模擬過程中，采用了y+=25的壁面法向無量綱距離模擬類車體超車過程。整模擬過程與低雷諾數湍流模型模擬一致，兩車分為靜止車和運動車。

從圖5和圖6中均可以看出，靜止車和運動車在整個超車過程中，車體壁面所受到的各種阻力的變化趨勢是一致，這與低雷諾數湍流模型模擬的結果也是一致。從圖5（c）和圖6（c）中可以看出，粘性引起的阻力系統在整個超車過程中變化不大，但運動車的波動幅度較靜止車略有增加。與低雷諾數湍流模型模擬結果一直，在類車體超車過程中，粘性引起的阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計。

4.3?數值方法驗證

在數值方法驗證過程中，選取靜止車和運動車的側向力系數和傾覆力矩系統兩種參數，與參考文獻[6]中的結果、試驗結果進行比較，曲線圖見圖7、圖8。

從圖7（a）中可以看出，在X/L=1附近，本文模擬結果與文獻結果接近，但與試驗結果誤差約為19%，說明此結果很不理想。在X/L=0附近，本文模擬結果與文獻結果、試驗結果相比，本文模擬結果要優于文獻結果，但與試驗結果誤差約為15%。

從圖7（b）中可以看出，在X/L=-0.5和X/L=0.5附近，傾覆力矩系數與試驗結果相差較大，誤差分別約為22%和16%。

從圖8（a）中均可以看出，在X/L=1附近，本文模擬結果與文獻結果接近，與試驗結果誤差約為26%，在X/L=0附近，計算結果更接近于試驗值，其誤差約為3%。

從圖8（b）中可以看出，本文模擬結果與文獻結果、試驗結果的曲線基本一致，在X/L=1附近，本文模擬結果與文獻結果、試驗結果誤差約為2%，在X/L=-0.5附近，本文模擬結果與文獻結果基本一致，與試驗結果誤差相差較大，約為20%。

由以上分析可以知，本文采用兩種方法模擬類車體超車過程的模擬結果與文獻結果、試驗結果趨勢基本一致，最大誤差約為26%，這說明，本文所選用的計算方法是可行的，但在網格劃分等其他細節方面有待提高。

5?結論

根據數值模擬計算結果分析，結合相關文獻數據，得出以下結論：

（1）對比兩種不同的壁面法向無量綱距離計算結果，邊界層內網格越密，對類車體氣動力系數的刻畫會更為精細。

（2）分析不同雷諾數湍流模型模擬類車體超車過程中的各種阻力，由粘性阻力對總阻力的影響占比很小，可以忽略不計。

（3）對類車體受到的側向力系數和傾覆力矩系數與文獻結果、試驗結果進行了分析對比，結果表明，本文的數值模擬計算方法的有效性和可行性。

參考文獻

[1]王瑞麗.高速列車駛入隧道氣動效應數值模擬研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2015.

[2]C.Noger，C.Regardin，E.Szechenyi.Investigation of the transient aerodynamic phenomena associated with passing manoeuvres[J].Journal of Fluids and Structures，2005，（21）：231-241.

[3]林鐵平.汽車外流場DES模擬研究[D].長沙：湖南大學，2010.

[4]李文文.成型加工流場中黏彈性高分子熔體的流變響應分析[D].青島：青島科技大學，2016.

[5]Menter F R.Two equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications[J].AIAA Journal，1994，（32）：1598-1605.

[6]David Uystepruyst，Sinisa Krajnovic.Numerical simulation of the transient aerodynamic phenomena induced by passing manoeuvres[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2013，114：62-71.