數值風洞仿真與開闊路面仿真的關聯性研究

宋 昕，李舒雅，嚴 杰，劉 政，楊 輝，郭西全

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

根據新版《乘用車燃料消耗量限值》國家標準，我國乘用車新車平均燃料消耗量限值將在2025年下降至4 L／100 km，汽車企業節能減排的壓力顯著增加。與此同時，測試工況由NEDC調整為WLTC，其試驗平均車速由33.6提升到46.3 km／h，最高車速由120提高到131.3 km／h［1］。由于氣動阻力與速度的平方成正比［2］，其在新標準中對燃油消耗量的貢獻值也大幅提升。

風洞試驗是空氣動力學性能開發中的重要方法，但受風洞干擾效應影響，其結果不能真正代表汽車在道路上行駛時的空氣阻力。雖然風洞試驗修正技術經過長期發展已經取得了一定成果［3-4］，但對于3／4開口風洞，暫時還沒有普遍適用的修正方法來評估干擾效應對空氣阻力的影響［5］。因此，結合具體風洞，開展數值風洞仿真與開闊路面仿真的關聯性研究，并將研究成果應用于風洞試驗結果的修正，對后續產品開發中盡可能準確地評估道路上真實的氣動阻力具有重大意義。文獻［6］～文獻［9］中均基于斯圖加特內燃機與車輛研究所的模型風洞（IVK）搭建了數值風洞模型，比較了不同汽車模型的風洞試驗結果與數值風洞仿真結果。結果表明：基于數值風洞的仿真結果與試驗結果比較接近。文獻［10］中研究了風洞噴口阻塞效應等因素對氣動力的影響，并對噴口法和駐室法進行了比較。

現有的研究多集中于風洞試驗與數值風洞仿真的對標，或其與開闊路面仿真的對標。對于前者，由于數值風洞模型參照實車風洞搭建，因此無法分析風洞干擾效應對氣動阻力的影響。對于后者，試驗與仿真的誤差由湍流模型誤差與物理模型誤差共同引起，因此也無法從中分析風洞干擾效應對氣動阻力的影響。本文中以DrivAer模型為研究對象，對比了數值風洞仿真和開闊路面仿真的結果，分析了多種車輛形態下，風洞干擾效應對氣動阻力影響的規律，并對部分機理進行了闡述。

1 風洞與DrivAer模型介紹

1.1 風洞簡介

該在建風洞為3／4開口回流式風洞，噴口面積為20.22 m2，試驗段長為17 m，最高風速為200 km／h，溫度控制范圍為20～60℃，濕度控制范圍為15%～90%，能為乘用車提供空氣動力學測試、氣動噪聲測試和熱力學測試。風洞整體布局見圖1。

圖1 風洞結構示意圖

為保證靜壓梯度、壓力脈動等流場品質參數達到設計要求，在前期通過搭建1∶13.5的模型風洞，對風洞的部分設計參數進行了調試，模型風洞試驗如圖2所示。

1.2 DrivAer模型

DrivAer模型［11］是慕尼黑工業大學空氣動力學研究所開發的通用汽車模型。它是奧迪A4和寶馬3系的組合，相比于經典的科研用模型，如Ahmed模型和SAE模型，提供了更詳細的幾何結構。此外，DrivAer模型采用了模塊化設計，有3種可更換的后背和兩種車底結構，具體如圖3所示。

圖2 模型風洞試驗現場圖

圖3 DrivAer模型示意圖

1.3 計算域與網格劃分

數值風洞參照實車風洞尺寸和結構搭建，并對結構進行了適當的簡化，保留了沉降室、收縮段、噴口、駐室、收集口和緊接其后的擴散段。為防止回流發生，在沉降室之前和擴散段之后對計算域進行了適度的延伸。氣流從沉降室前流入，從擴散段后流出，具體如圖4所示。開闊路面仿真近似模擬汽車在道路上行駛的工況，工程上一般采用足夠大的長方體作為計算域。本文中計算域參照SAE標準J2996［12］搭建，尺寸為車前部3倍車長、后部6倍車長，寬度為10倍車寬，高度為6倍車高。

圖4 數值風洞模型示意圖

面網格的大小、加密區域的大小等網格參數的設置參照Starccm+軟件最佳實踐，并以詳細車底DrivAer階梯背模型為研究對象進行了數值風洞仿真的網格無關性分析，結果如表1所示。

表1 網格無關性計算結果

從表1中可以看出，方案2網格數量比方案3少570萬個，但誤差僅為0.7%。綜合考慮計算精度和效率，數值風洞仿真采用方案2的網格策略。開闊路面仿真按同樣標準劃分網格，并保證兩種方法中對應區域的網格大小保持一致，以避免網格因素的影響。車身附近計算網格如圖5所示。

圖5 網格示意圖

1.4 邊界條件和物理模型參數

仿真分析中模擬車速為40 m／s。對于數值風洞仿真，入口速度須根據式（1）換算，其中入口面積為125 m2，噴口面積為20.22 m2，因此入口實際速度為6.47 m／s。其它邊界與開闊路面一致，詳見表2。

式中：vi為入口處速度；Si為入口面積；vj為噴口處速度；Sj為噴口面積。

表2 計算域邊界條件設置

基于雷諾時均法（RANS）的雙方程模型能較好地兼顧計算效率和精度，在工程中被廣泛應用。本文中采用 Realizable k-ε模型和 Two-Layer All Y+Wall Treatment進行計算。

1.5 車輛形態定義

DrivAer模型本身具有多種組合，但為了進一步比較底部結構改變時，兩種仿真方法對氣動阻力變化趨勢和變化量評估的不同，在前保險杠下端新增了氣壩，高度為3 cm。通過不同背部造型和配置的組合，形成了12種不同的車輛形態，具體見表3。

表3 車輛形態列表

2 結果與討論

2.1 空風洞分析

在無車狀態下，數值風洞內的流場與開闊路面仿真時的流場就已存在顯著區別。從圖6可以看出，經過收縮段加速的氣流，以大約7°的角度從噴口流入駐室，形成了明顯的剪切層，剪切層內速度變化很小。這種速度一直保持，直到進入收集口后，受擴散段的影響速度才逐漸降低。測力天平的中心位于噴口后4.4 m處，試驗車輛需安裝在噴口后1.4～7.4 m的范圍內。該區域處于剪切層內，風速變化小，能滿足試驗要求。對于開闊路面仿真，不存在流道截面面積的改變，氣流在流道內基本均勻分布，速度梯度很小，具體情況在此不再贅述。

2.2 氣動阻力對比

2.2.1 基本形態仿真與試驗對比

圖6 空風洞速度云圖

形態2、形態6和形態10是眾多文獻中普遍研究的基本形態。此處將文獻［11］和文獻［13］中的試驗結果與本文的仿真結果進行對比，結果如圖7所示。由圖可見，不同風洞之間測試結果存在一定差異，且這種差異隨車型變化。對于形態2和形態6，文獻［11］中的試驗結果較大，對于形態10則文獻［13］中的試驗結果較大。以文獻［13］中的試驗結果為基準，兩者誤差為-0.21%～3.2%，3種形態的平均誤差為2.5%。這主要是因為不同風洞的靜壓梯度、噴口阻塞效應和收集口阻塞效應等均存在差異，不同車型對這些差異的敏感性不盡相同。對比仿真與試驗，總體來說，數值風洞仿真結果比較接近試驗結果。以試驗的平均值為基準，數值風洞仿真誤差在-0.3%～4.8%之間，形態10誤差最大，3種形態的平均誤差為1.8%；開闊路面仿真誤差在0.9%～8.2%之間，形態6誤差最大，3種形態的平均誤差為5%。如上所述，仿真與試驗的誤差主要來源于物理模型的誤差和湍流模型的誤差，當二者均較小或二者產生的誤差能相互抵消時，仿真結果與試驗結果較為接近。因此，基于實車風洞搭建物理模型，排除風洞干擾效應對計算結果的影響，才能更好地開展仿真結果與試驗結果的對比。2.2.2 兩種仿真方法結果對比

圖7 風阻系數仿真與試驗對比

對表3中12種形態進行了仿真分析，數值風洞仿真與開闊路面仿真結果對比如圖8所示。由圖可見，開闊路面仿真得到的風阻系數均大于數值風洞仿真得到的風阻系數，且帶有詳細車底模型的形態2、形態6和形態10差值更大，為17～22 counts（1 count相當于風阻系數為0.001）。無論是否有后視鏡，光滑車底形態下，兩種計算方法得到的風阻系數相對接近，為6～12 counts。在詳細車底模型基礎上增加氣壩后，兩種計算方法得到的風阻系數差值為7～8 counts，與光滑車底形態基本一致。這說明車輛底部流場仿真的結果受計算域的影響較大。主要原因如下：在3／4開口風洞中，由于模型安裝位置離噴口較近，其前部的正壓區會延伸到上游噴口附近。因此，噴口的射流會受到類似固壁的阻塞作用，其截面流速分布會發生改變，使下部流速降低。圖9（a）和圖9（b）分別為形態2開闊路面仿真和數值風洞仿真車身底部速度矢量圖，高度為Z＝0.06 m。由圖可見，數值風洞仿真時進入底部的氣流速度相對較低，其對凹凸不平的車底沖擊較小，尾部速度相對較高，能量損失少。因此，采用數值風洞仿真得到的風阻系數明顯小于開闊路面仿真得到的風阻系數。圖9（c）和圖9（d）分別為形態3開闊路面仿真和數值風洞仿真車身底部速度矢量圖，高度為Z＝0.06 m。由圖可見，數值風洞仿真時進入底部的氣流速度依然相對較低，但由于車底光滑，尾部氣流速度相差不明顯，因此，兩種方法計算得到的風阻系數相差不大。

圖8 各車輛形態風阻系數對比圖

圖9 底部速度矢量圖

2.3 風阻系數變化量對比

基于表3所列形態，對比了形態變化時，兩種仿真方法計算得到的風阻系數變化量ΔCd，具體見表4。形態X-形態Y表示從形態X變化到形態Y。由表可見，除形態2-形態6外，兩種仿真方法計算得到的變化趨勢均一致。該特例可能是由于仿真分析誤差，以及形態2和形態6本身差別并不大所致。從位置看，對于背部和后視鏡變化，兩種仿真方法計算得到的ΔCd相差2～5 counts；對于車底和氣壩變化，兩種仿真方法計算得到的ΔCd約為9～15 counts。將整車分為車身前部、車身背部、車底、后視鏡、前輪、后輪和氣壩7部分。由形態1變化到形態2時，各部件風阻系數變化如圖10所示。由圖可見，兩種仿真方法的結果主要差別在車底和前部。

表4 風阻系數變化量對比

圖10 各部件風阻系數變化

2.4 流場對比

圖11 為形態2對稱面速度矢量圖。從圖11（b）可以看出，在數值風洞仿真中，受模型阻塞影響，風洞原有的剪切層形狀發生了改變，在車身上部變為向上拱。相對于開闊路面仿真，數值風洞仿真在模型的前部、底部、上部速度均較低。在模型的尾部，兩種仿真方法模擬的尾渦結構相似，圖11（b）中上部的尾渦相對圖11（a）位置偏上，速度相對較高。因此尾部區域負壓相對較低，這也是數值風洞仿真風阻系數相對較小的主要原因之一。

圖11 對稱面速度矢量圖

3 結論

（1）基于實車風洞搭建的數值風洞，能通過CFD仿真較好地模擬剪切層和噴口阻塞效應等風洞中的流場特征，可作為研究風洞壁面效應的重要工具。

（2）在不同風洞中，風洞干擾效應對風阻系數的影響并不相同，因此須結合具體風洞開展相關研究。

（3）基于某企業實車風洞搭建的數值風洞，其風阻系數仿真分析結果普遍低于開闊路面仿真分析結果。

（4）在對比模型兩種形態間的ΔCd時，數值風洞仿真和開闊路面仿真對趨勢的判斷基本一致，但絕對值的大小存在差異。這種差異并非固定，而是與車輛形態相關。風洞試驗與數值風洞仿真一樣存在干擾效應，因此，現階段工程上廣泛使用的開闊路面仿真結合風洞試驗驗證的方法還須進一步完善。