MIRA階背式模型的瞬態流動結構分析

張英朝 曹惠南 朱會

摘? ?要：應用采用格子玻爾茲曼方法的PowerFLOW軟件，結合非常大渦模擬方法，對MIRA階背模型進行非穩態流場求解，研究外流場的結構及流動特性.通過分析時均流場中氣流從A柱沿著車頂至C柱、車尾的流動過程，探索了C柱渦、D柱渦、部分分離渦的結構及流動機理.通過分析瞬態流場探索了更加精確的隨機流動特性，其中時域流場分析部分，發現車輪、后風窗及車尾區域處流場結構復雜;對頻域結果的分析進一步展示了渦的振動頻率及其脈動特點，發現車尾上方振動頻率達12 Hz，側窗、發動機艙頂部，車頂及車身側部的振動頻率為23 Hz，并探究了振動頻率的形成機理，壓力脈動分析發現底盤上方、車身尾部及后輪區域存在較大振動能量，推斷得出以上區域流場結構復雜，對阻力貢獻大.將仿真結果與實驗結果對比分析，二者流場結構相似，渦核的數量和位置都具有較好的一致性，驗證了仿真的可靠性.

關鍵詞：流場;瞬態;流動結構;汽車空氣動力學

中圖分類號：U270.1;O357.5+2? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Instantaneous Flow Structure Analysis of MIRA Notchback Model

ZHANG Yingchao1？覮，CAO Huinan1，ZHU Hui2

（1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130022，China;

2. Research Institute of Geely Automotive，Ningbo 315336，China）

Abstract： Applying the PowerFLOW software using the Lattice Boltzmann Method （LBM）， and combining with the very Large Eddy Simulation Method （VLES）， the unsteady flow field of the MIRA notchback model was solved to study the structure and flow characteristics of the external flow field. By analyzing the process of the flow from the A-pillar along the roof to the C-pillar and the rear of the flow field， the structure and flow mechanism of the C-pillar vortex， D-pillar vortex， and partial separation vortex were explored. The transient flow field was analyzed to explore more precise random flow characteristics. In the time domain flow field analysis part， the flow field structure of the wheel， rear wind window and rear part is complicated. The analysis results of the frequency domain further showed the vibration frequency and pulsation characteristics of the vortex. The vibration frequency of the rear part is 12Hz， and the vibration frequency of the side window， top of the engine compartment， roof， and side of the body is 23Hz. In addition， the formation mechanism of the vibration frequency was explored. By analyzing the pressure pulsation， it is found that large vibration energy occurs around the chassis， rear part of the vehicle body， and rear wheel area. It is concluded that the flow field structure in the above area is complex and it contributes a lot to the drag. When comparing the simulation results with the experimental results， the flow field structure is similar， and the number and position of the vortex cores are well consistent， which verifies the reliability of the simulation.

Key words： flow field;instantaneous;flow structure;automobile aerodynamics

能源問題不斷加劇，環境問題越演越烈，降低汽車油耗至關重要，因此降低氣動阻力成為日益關注的研究課題.為得到有效的減阻，首要的工作是深入分析汽車外流場，探索其流場形成機理，因此研究瞬態流場至關重要.

壓差阻力與汽車流場狀態密切相關，尤其與汽車尾流場結構有關.Janssen and Hucho[1]最先對尾流進行深入探索.Carr[2]指出階背式汽車尾部阻力占據車身總阻力50%，并發現后風窗處存在橫向渦結構.Nouzawa等人[3]通過數值仿真的方法發現后風窗處存在拱形結構，與Carr發現的橫向渦結構具有相同特性，他們還發現從C柱發展出兩個拖拽渦結構.Jenkins[4]研究發現，存在另外兩個渦結構，與從C柱發展來的兩個渦結構旋向相反，向行李箱中心處延伸.Gilhome等人[5-6]對階背式轎車周圍形成的氣流結構進行了實驗研究，對非穩態壓力進行了頻譜分析，發現在汽車尾部存在兩個主要的頻率特性，其中低頻與剪切層的振動有關.Lawson等人[7]對1/3階背式轎車運用時均壓力測量法、流態顯示和PIV實驗結合方法[8-9]，提出雷諾數變化對流場的影響.氣流在行李箱蓋上再附著以后，形成了分離氣泡并且氣流分解為向上游和下游移動的兩股氣流，通過仿真分析，人們發現這種回流結構確實存在于尾流中[10-13].Ahmed和Baumert[14]發現氣流在行李箱蓋后緣處發生分離，來自行李箱上下兩側的氣流在尾部相互融合形成分離氣泡.

1? ?基本模型及仿真設置

1.1? ?基本模型描述

本文以MIRA模型為研究對象，如圖1所示為MIRA階背式模型的基本尺寸示意圖，前軸中心定義為坐標原點，車身縱向向后為x軸正方向，x軸方向左側為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向，其中發動機罩與x軸成10°，前、后風窗與z軸成45°，車身尾部與x軸成10°的上翹角，兩側側窗也有15°的傾斜角度.

1.2? ?仿真方案設置

EXA公司為PowerFLOW提供了最佳實踐標準及最佳參數設置狀態，據此設置本文基本模型方案.計算域采用基于規則網格模型的風洞幾何結構，尺寸為85.1 m×49.7 m×37.2 m，速度進口距離車頭為10個車長，恒定靜壓出口邊界距離車尾為10個車長，寬度為30倍的車寬，高度為26倍的車高，保證了阻塞比小于1%的要求.體網格是通過設置Variable Resolution 即VR區實現的，VR區為局部變量細化區域，共設置9個，其中最小網格參數為2.5 mm，由內向外網格尺寸順次加倍，體網格數量達

4 243萬，如圖2所示，邊界條件設置如表1所示.

根據最佳實踐標準，仿真時間應保證氣流流過10個車長（車長4.165 m，流速為30 m/s），由網格條件得出時間步長為1timestep = 1.485×10-5 s，由此計算仿真時間為 1.485 s，總步數設置為10萬步.

2? ?CFD瞬態流動結構分析

2.1? ?阻力系數

對MIRA階背式模型進行瞬態仿真分析，得到阻力發展曲線，最終總阻力系數為0.345.湖南大學對MIRA模型進行過一系列的風洞試驗，其實驗的風阻系數為0.324[15]，相對誤差為6%，一方面可能是模型的誤差造成的，另一方面湖南大學實驗選取的風速比30 m/s略大，其多組風速下的阻力系數平均以后的結果為0.324，這也可能導致數據相差較大.如圖3所示，車身前部對阻力系數的貢獻較小，而在車尾處阻力系數迅速上升，推測尾流區域存在的流場較為復雜，尾部流場狀態對空氣阻力影響更大.

2.2? ?時均流場仿真分析

為了了解流場形成機理從而分析出阻力形成原因，對縱向對稱面（y = 0）截面處的壓力系數云圖和流線圖進行分析，如圖4和圖5所示. 從圖中可以看到車身各位置的壓力系數分布以及車身表面附近的流體流動軌跡，進而分析氣流沿車身的流動過程：前方來流由于發動機艙前部的阻擋受到阻滯作用，產生較大的正壓，這與阻力發展曲線的開始部分相對應. 隨后氣流沿車身向四周流動，當流至發動機蓋前緣處由于拐角的存在氣流發生分離，氣流流速增大，從而形成較大負壓，此現象對應于阻力發展曲線中車身前部阻力第一次的下降階段. 接下來氣流沿發動機蓋平穩流動，當接近發動機蓋與前風窗曲率過渡處時，氣流再次受到阻滯而產生正壓，此處會伴有少量的氣流分離. 氣流沿前風窗順勢而上過渡至車頂時，車身曲率發生很大的改變，導致氣流不能繼續緊貼車身表面流動，產生劇烈的氣流分離，形成很大的負壓，對應于阻力發展曲線的第二次下降階段. 隨后氣流沿車頂平緩流動，隨著車身曲率的再次大幅改變，在后風窗與車頂交匯處再次發生分離形成較大的負壓，阻力增加. 從圖4中還可以看到后風窗處形成了很大直徑的渦，是分離氣流經過C柱而產生的C柱渦，沿著后風窗向下延伸，形成一對很長的拖拽渦，最終在逐漸遠離車尾處，渦的直徑達到最大，其對整車阻力影響很大.車身底部氣流由于模型離去角的存在，在車身底部曲率過渡處發生分離，同樣導致阻力增大. 最后氣流在離開車身尾部時在車尾四周又一次發生分離，再次形成負壓，阻力增大.

前方來流流經A柱，一部分氣流沿側窗向后流動，另一部分沿車身側面向后發展，其中側窗上的氣流由于沒有向上流動的趨勢，因此在車頂處無A柱渦結構，但是在車頂和車窗處的邊界層內會形成一定的渦量，如圖5所示. 其中，車身頂部兩側形成方向相反的渦量，側窗處形成內外兩層相互疊置的方向相反的渦量，且每層渦存在多個渦核，具體形狀及分布如圖6所示.沿車身側面發展的氣流有向下發展的趨勢，并形成較大的縱向渦，發展至行李箱蓋處被C柱渦吸收而消失.

圖7為后風窗某截面處的x方向上的渦量等高線圖，此截面上主要存在三對渦結構，其中C柱渦沿車身后部發展形成一對很長的拖拽渦[3]，在此過程中與周圍其他渦結構相互作用、影響甚至融合，渦量逐漸增強，對形成阻力貢獻量最大. 中間兩對分離渦，由車頂氣流分離而來，距離C柱渦較近的一對分離渦受到C柱渦的影響，產生向中心對稱面流動的趨勢，誘導其產生x方向的渦量，并與x軸成一定的角度.圖7中距離C柱渦較遠的一對分離渦

也存在x方向渦量，氣流沿后風窗旋轉回流至氣流分離初始點時，氣流并非直接向后分離，而是在氣流慣性的作用下向車身側面流動然后再分離，使得氣流在此處形成較小的x方向渦量.圖8左圖中圓圈區域放大顯示為右圖，可以看到氣流在此處向車身側面流動（箭頭方向）.

通過以上對兩對分離渦的分析，可知分離渦并非簡單的二維流動渦，分離渦主要產生y方向上的渦量，但由于氣流繞x方向旋轉以及受到周邊其他渦的作用，因此也會形成一定的x向渦分量，這說明此處的分離渦結構相當復雜.

圖9分別為車尾在y = 0和y = 0.6 m截面處的流線圖. 分析可得車尾底部上洗氣流產生的分離渦在車身兩側起主導地位，中間部位則是由帶有較大能量的下洗分離渦占據主導.由于MIRA階背模型車底尾部存在的上翹角，使得尾部流場結構中出現一對與C柱渦類似性質的縱向渦——D渦，D渦形成是因為車身兩側氣流的剪切層的分離作用，車身底部上翹角分離出的剪切氣流與流經車身兩側氣流在車身尾部相互融合，形成一對與C柱渦旋向相反的渦結構，并沿上翹角向上延伸，與C柱渦相互作用，由于車身尾部C柱渦占據中間位置，所以D渦相對于C柱渦更偏向于外側.

2.3? ?瞬態流場仿真分析

分別從時域和頻域兩方面入手來分析MIRA階背式模型的瞬態流場仿真結果.

時域分析：（a）在湍流場中，選取測量速度分量的標準差是最基本的方法，速度分量的標準差也稱為湍流分量的強度（在無量綱狀態下時），因而首先采用此方法.圖10中（a）（b）（c）三幅圖分別為不同標準差（Stdev Vx）0.1、0.15、0.2（也稱10%，15%，20%）下流場內x方向上的速度等值面，標準差越大表示當地速度脈動越大，可以看出車輪和車身尾部速度脈動較高.

（b）抽取整個流場中總壓力系數為零的點，即總壓為零的等值面. 圖11為車身表面總壓為零等值面，其包括的區域面積越大說明分離現象可能越嚴重，能量損失越多，阻力系數越大.圖中總壓力系數為零的區域主要位于車輪、后風窗及車尾處，說明這些位置能量損失最多，分離現象嚴重，阻力也會相應更大.

（c）在復雜流場中，通過顯示特定負值λ2等值面來同時描述多個耦合的渦結構，它能清晰地顯示各位置分離渦的渦核結構，同時能完整地捕捉到游離于流場中的雜亂小渦核結構.通常取λ2 = -50等值面表示渦核位置，如圖12所示，渦核主要集中在車輪以及車身尾部區域，尤其是車身尾部渦核密集且雜亂，而且渦量較大，其位置也與上文中提到的C柱渦和D渦的位置相對應.

頻譜分析：車身表面共設置9個監測區域，分別為發動機艙頂部和側部、前、后風窗、側窗，車頂、車身側面、行李箱蓋表面以及尾流區域. 通過采集流場監測點速度并對其進行傅里葉變換，獲得其頻譜，從而觀察流經車身表面氣流的振動頻率.

通過對監測點的速度進行頻譜分析，發現在發動機艙上部、車頂、側窗和車身側面處的渦結構存在明顯的振動頻率，且為同一峰值振動頻率f = 23 Hz，取其中一點的頻譜分析圖，如圖13所示，圖中明顯的峰值出現3次，頻率大致依次為23 Hz、46 Hz和69 Hz，恰恰后面的兩個頻率都是23 Hz的整倍數，因此可以推斷出它們是同一個渦結構的脫落頻率.這些振動頻率可能是車身側面邊界層內的渦結構振動產生的，由于車身側面監測到振動頻率，而發動機艙側部未監測到振動頻率，這說明車身側面的振動頻率可能是由于氣流在A柱發生分離后形成的.

另外，車身尾部氣流脫離車身后，在車尾很長的側上方區域內（圖14圓點區域）發現明顯的振動頻率，頻率值為12 Hz，結合時均流場分析，推斷尾部側上方區域內的振動頻率可能是C柱渦附近的不穩定渦結構振動形成的.

頻譜分析可以用來表示流場中車身表面各位置的壓力脈動，壓力脈動的單位為分貝（dB），分割壓力頻率帶寬，通常使用低頻數據，這樣可以使低頻結果可以被完整的得到. 圖15（a）（b）是在不同倍頻帶寬（11～22 Hz、22～44 Hz）下的車身表面壓力脈動結果，其中車輪、車身側面下邊緣、C柱周圍、車頂邊緣以及車尾行李箱蓋板處壓力脈動值較大，光譜能量值高，有較大水平的振動能量，進而可以推斷以上位置處的流場結構應該很復雜，渦結構間互相影響，對阻力貢獻較大.

2.4? ?基本模型仿真與實驗對比分析

本課題組先前對1/8MIRA模型（階背式車型、快背式車型、方背式車型和皮卡車型）分別進行了瞬態流場PIV試驗[16]，無量綱化車體尺寸后，探索瞬態流場結構.本文將仿真結果與PIV試驗選取的具有代表性的截面處的流場數據對比，重新定義坐標原點，位于車身尾部上沿對稱中心，選取x = -0.16 m，x = 0.4 m，z = 0.256 m三個截面上的渦量進行對比.如圖16所示，x = -0.16 m處截面，仿真結果和試驗數據有較高的對應性，都可以看到C柱渦和分離渦在x方向存在分渦量，兩對渦相對位置大體對應，即C柱渦均處于分離渦的側下方，另外渦結構的旋向一致.圖7介紹了三對渦，C柱渦和兩對分離渦，渦量圖中只顯示C柱渦和分離渦，中間最小的一對渦沒有被捕捉到，因為中間那對渦為不穩定渦結構，產生在車頂氣流發生分離初期，在隨后的發展過程中，被周圍渦量較大的渦結構影響作用后逐漸消失.

圖17為x = 0.4 m截面的流場數據，存在三對反向旋轉的渦結構，實驗和仿真結果均有體現，在車身尾部側面存在兩對旋向相反的渦結構，二者一上一下，上部的渦結構渦量明顯是下部渦結構渦量的2倍左右，以此推斷其是由C柱渦與側向分離渦相互作用形成的，對阻力貢獻最大. 下部的渦結構推斷來自于D渦和沿上翹角分離出來的渦相互作用而成，對阻力貢獻比較大. 而車身尾部中間位置存在一對渦量直徑很小的渦結構，旋向相反.

取車尾高度z = 0.256 m處截面對比z方向上渦量，如圖18所示，流場結構相似，從兩側窗流過來的氣流由于在后風窗處存在壓力差而形成一對漩渦結構.

通過以上對不同截面處的渦量對比分析可知，仿真與MIRA模型實驗的流場結構相似，渦核的數量和位置都具有較好的一致性，說明仿真具有可靠性.

3? ?結? ?論

1）時均流場仿真分析：車身側面氣流到達C柱時形成C柱渦，沿后風窗向后向下延伸，形成一對很長的拖拽渦，旋向相反，最終在逐漸遠離車尾處直徑達到最大，對阻力影響很大;在側窗處存在內外兩層多個渦核且渦量相反的渦結構;在車頂兩側邊界層中存在旋向相反的渦結構;在車頂處氣流分離，分離渦內主要存在橫向渦量，但由于受強烈的C柱渦影響，形成一定的x方向渦分量;在車尾上、下沿處分別形成分離渦，其中車尾上沿形成的分離渦在車尾中間起主要作用，車尾底部沿上翹角產生的D渦，與C柱渦旋向相反，且與C柱渦相互作用，相對于C柱渦更偏向于外側.

2）瞬態流場仿真分析：車輪、后風窗以及車尾處存在復雜的流場結構，在瞬態流場中觀察到的是尺寸相對于時均流場結果較小、不穩定的渦核，渦結構之間相互影響. 監測點的頻譜分析發現，車頂、發動機艙頂部、側窗和車身側面主要振動頻率為23 Hz;車身尾部側上方區域存在12 Hz振動頻率;通過對壓力脈動分析得出結論，車尾和車輪以及車身側面下沿處存在較大振動，可推斷這些位置處的流場較為復雜.

3）本文通過對MIRA階背式模型的仿真與PIV瞬態流場實驗觀測的流場結構進行對比分析，得到仿真與實驗的流場結構相似，渦核的數量和位置都具有較好的一致性的結論，說明仿真的可靠性.

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