轿车乘员舱内气流对气动阻力影响的数值模拟

王东　王艳松

摘要：为揭示轿车侧窗开启程度和乘员舱内布置对气动阻力的影响规律，建立1∶1阶背式英国汽车研究协会（Motor Industry Research Association， MIRA）标准模型；基于FLUENT，在30 m/s风速下采用可实现kε湍流模型对不同侧窗开度的模型进行三维稳态数值模拟，得到气动阻力因数随侧窗开启程度的增大而增大的变化趋势.在侧窗全开时，改变舱内布置，得到气动阻力因数随假人个数的变化规律；对比不同情况下模型的流场分布发现，当考虑乘员舱内气流时，气动阻力的大小不仅与进气量有关，而且受舱内流场分布的影响.

关键词：气动阻力； 乘员舱内气流； 假人； 侧窗； 三维稳态数值模拟

中图分类号： U461.1；TB115.1

文献标志码： B

0引言

汽车的气动阻力决定汽车的燃油经济性，对汽车的性能影响很大.气动阻力包括外流阻力和内流阻力.外流阻力由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力和干涉阻力等组成，其大小主要由汽车外形和车身表面状态决定，其中，压差阻力占汽车总气动阻力的50%～60%，是气动阻力的主要组成部分.气流流经车内构件时，沿程的能量损失导致内流阻力.乘员舱内流分布与开窗情况关系十分密切，并受舱内布置的影响.[1]

汽车周围的流场分布直接影响汽车的气动特性，乘员舱内流是汽车空气动力学中较为复杂的部分.由于乘员舱内流场的试验观测比较困难，因此，对汽车气动特性的研究一般以外流场为主，较少考虑内流影响.[2]本文采用数值仿真方法，研究开窗情况和乘员舱内假人个数对气动阻力的影响规律，并分析其影响机理.

1湍流模型

以侧窗高度为依据将车窗4等分，开窗程度定义为车窗开启高度除以车窗总高度，车内加入仪表板.当乘员舱前后各布置2个假人时，分别对以下5种开窗程度的模型进行计算：①全闭；②1/4开；③1/2开；④3/4开；⑤全开.

此外，为研究假人和座椅个数对气动阻力的影响，改变模型⑤的舱内布置，形成以下3个模型进行对比：⑥仅在前排放置2个假人和座椅，即驾驶员、副驾驶和前排座椅；⑦仅在后排放置2个假人和座椅；⑧无假人、无座椅.

在实际情况中，不存在工况⑦和⑧，本文仅做理论研究，以探讨乘员舱内布置对流场分布的影响.

2.2计算域和网格划分

为提高数值模拟的准确度，在控制网格数量的同时计算域的尺寸应足够大，以减小施加边界条件后流场对车辆的影响.整个计算域为一个长方体，车前取4倍车长，车后取7倍车长，左、右各取5倍车宽，共取7倍车高.[6]

数值模型采用三棱柱、四面体和金字塔的混合网格：MIRA车身表面为三角形面网格，沿表面法线方向生成5层致密的三棱柱网格，以适应附近较大的速度梯度；计算区域内为金字塔与四面体网格，并通过控制网格最大体积在车身附近进行局部加密.最终，网格总数约为1 000万个.

由于弹性轮胎与地面接触时会产生变形，轮胎与地面有夹角，网格质量较差，所以计算难以收敛.为克服该问题，可顺矩形接触面向上拉出一个凸台[7]，见图2.

2.3物理性质和边界条件

在低于限速的情况下，作用于汽车上的相对空气流速远小于声速，可认为空气是不可压缩的.假设汽车在无风、平直路面上等速直线运动，同时忽略空气物理性质参数的变化，即认为空气的温度、黏性和参考压强等不变，因此汽车外流场为三维稳态不可压缩流体.[8]此时，只需给出边界条件，不需要初始条件，流动微分方程组就有确定解.采用速度入口和压力出口，地面为无滑移壁面.

2.4求解参数

采用高雷诺数可实现kε湍流模型，壁面函数为非平衡壁面函数，压力速度耦合方法采用SIMPLE算法.[9]取默认松弛因子，用1阶迎风格式迭代一定步数后，换用2阶迎风格式的离散格式以保证数值稳定性和截差精度.此后，减小松弛因子以保证收敛.

3计算结果和分析

3.1开窗程度对气动阻力的影响

在不同侧窗开启程度下的气动阻力因数见表1.在全闭时，该模型在斯图加特大学IVK风洞的试验阻力因数为0.305 5[10]，数值模拟结果相比试验值存在8.31%的误差.同时得到侧窗开启程度气动阻力因数曲线（见图3），可知，气动阻力因数随开窗程度的增大而增大.

为分析阻力增大的原因，截取不同开窗情况下的纵向对称面，获得y=0平面的压力分布进行对比.在侧窗全闭或全开时y=0平面的压力云图见图4.当汽车高速行驶时，车内压力小于外界压力，侧窗打开引起外部气流涌入，与内部构件的壁面相互作用，导致阻力增大.[11]另外，在侧窗附近，由于气流分离形成涡流，涡系间相互吸引并随着汽车的行驶被拖拽到尾部，引起尾涡增大，最终导致汽车的压差阻力增大，而压差阻力正是气动阻力的最大贡献者.

由图5可知，当侧窗开启1/4时，乘员舱内部的压力分布相对均匀；当开启3/4时，由于进气量增大，乘员舱中心区域涡动量较大，气流流速较大，压力相对偏低，而乘员舱前、后部由于小区域涡流的存在，使得压力相对较大；同时，当开启3/4时，侧面气流在后背部向内的翻卷强度增大，使得尾涡增大，最终导致气动阻力增大.

3.2舱内布置对流动分布的影响

乘员舱内的流场分布随舱内布置的变化而变

化，从而对汽车的气动阻力产生影响.当车窗全开时，比较假人和座椅个数对气动阻力因数的影响，仿真结果见表2，可知，当车窗全开时，汽车的气动阻

力因数随假人个数的减少而有增大趋势，但变化幅度较小.因此，乘员舱内布置的改变主要影响流场的分布.

由图6可知，乘员舱内的布置对舱内流动分布影响很大：当有4个假人和座椅时，乘员舱内空间较小，进气量也较小；去掉后排的假人和座椅后，乘员舱内空间增大，涡流的动能也随之增大；当仅后排有假人时，由于没有前排乘员和座椅的阻挡，气流在乘员舱中心形成一个较大的涡流，该涡流与乘员舱内壁面相互作用，引起气动阻力的增大；当乘员舱内没有假人和座椅时，进气量更大，中心区域的涡流动能更大，整体的能量损失也更大，此时，虽然与涡流相互作用的壁面减少，但整体效果仍为气动阻力的增大.

为研究乘员舱内的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm处建立水平截面，并获得该截面的速度矢量云图，见图7～9.

在势流的作用下，流经汽车侧面的气流有向车身中间聚集的趋势.由图7～9可知，当侧窗开启后，气流由侧后窗进入乘员舱，受舱内壁面阻滞形

成回流，并在乘员舱后方形成局部高压区，使得气动阻力增大.前窗外侧流速较大，压力较低，乘员舱内气流由前窗流出并与来流形成强剪切流，随主流流向后方，而后到达侧后窗，并以此循环形成空腔模型.[2]

4结论

通过改变侧窗开度和全开时假人与座椅分布建立不同工况下的MIRA模型，利用CFD软件进行三维稳态数值模拟.由分析仿真结果可知：

（1）当侧窗全闭行驶时，汽车的气动阻力因数最小.

（2）气动阻力因数随侧窗开度的增大而增大.

（3）乘员舱内的空间布置对进气量和流场分布有较大影响，仿真模拟时忽略假人等乘员舱内布置，会引起流场失真.

（4）汽车的气动阻力因数受多种因素的共同作用.当考虑乘员舱内流时，既要关注进气量，又要考虑舱内布置的影响，在不同工况下，起主导作用的因素不同，不可一概而论.

参考文献：

[1]谷正气. 汽车空气动力学[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005： 5870.

[2]董立伟. 基于内流的汽车气动特性研究与分析[D]. 株洲： 湖南工业大学， 2012.

[3]朱晖， 杨志刚. 皮卡车三维外流场数值研究[J]. 计算机仿真， 2007， 24（6）： 248251.

[4]张淑佳， 李贤华， 朱保林， 等. kε涡黏湍流模型用于离心泵数值模拟的适用性[J]. 机械工程学报， 2009， 45（4）： 238242.

[5]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004： 120126.

[6]王莉. 快背式轿车空气动力特性分析[D]. 长春： 吉林大学， 2005.

[7]刘畅. 重型载货汽车的空气动力特性研究[D]. 长春： 吉林大学， 2008.

[8]王文亮， 魏道高. 基于某型轿车的外流场数值模拟[J]. 汽车科技， 2010（2）： 4447.

[9]王佳， 杨志刚， 朱晖. 阶背式MIRA模型气动阻力数值模拟网格无关性研究[J]. 佳木斯大学学报： 自然科学版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]庞加斌， 林志兴， 余卓平， 等. TJ2风洞汽车模型试验的修正方法[J]. 汽车工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]张英朝， 李杰， 张喆. 轿车开窗行驶时的气动阻力分析[J]. 江苏大学学报： 自然科学版， 2010， 31（6）： 651655.

（编辑陈锋杰）

为研究乘员舱内的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm处建立水平截面，并获得该截面的速度矢量云图，见图7～9.

在势流的作用下，流经汽车侧面的气流有向车身中间聚集的趋势.由图7～9可知，当侧窗开启后，气流由侧后窗进入乘员舱，受舱内壁面阻滞形

成回流，并在乘员舱后方形成局部高压区，使得气动阻力增大.前窗外侧流速较大，压力较低，乘员舱内气流由前窗流出并与来流形成强剪切流，随主流流向后方，而后到达侧后窗，并以此循环形成空腔模型.[2]

4结论

通过改变侧窗开度和全开时假人与座椅分布建立不同工况下的MIRA模型，利用CFD软件进行三维稳态数值模拟.由分析仿真结果可知：

（1）当侧窗全闭行驶时，汽车的气动阻力因数最小.

（2）气动阻力因数随侧窗开度的增大而增大.

（3）乘员舱内的空间布置对进气量和流场分布有较大影响，仿真模拟时忽略假人等乘员舱内布置，会引起流场失真.

（4）汽车的气动阻力因数受多种因素的共同作用.当考虑乘员舱内流时，既要关注进气量，又要考虑舱内布置的影响，在不同工况下，起主导作用的因素不同，不可一概而论.

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[4]张淑佳， 李贤华， 朱保林， 等. kε涡黏湍流模型用于离心泵数值模拟的适用性[J]. 机械工程学报， 2009， 45（4）： 238242.

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[6]王莉. 快背式轿车空气动力特性分析[D]. 长春： 吉林大学， 2005.

[7]刘畅. 重型载货汽车的空气动力特性研究[D]. 长春： 吉林大学， 2008.

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[10]庞加斌， 林志兴， 余卓平， 等. TJ2风洞汽车模型试验的修正方法[J]. 汽车工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]张英朝， 李杰， 张喆. 轿车开窗行驶时的气动阻力分析[J]. 江苏大学学报： 自然科学版， 2010， 31（6）： 651655.

（编辑陈锋杰）

为研究乘员舱内的速度流向，在假人肩部位置z=760 mm处建立水平截面，并获得该截面的速度矢量云图，见图7～9.

在势流的作用下，流经汽车侧面的气流有向车身中间聚集的趋势.由图7～9可知，当侧窗开启后，气流由侧后窗进入乘员舱，受舱内壁面阻滞形

成回流，并在乘员舱后方形成局部高压区，使得气动阻力增大.前窗外侧流速较大，压力较低，乘员舱内气流由前窗流出并与来流形成强剪切流，随主流流向后方，而后到达侧后窗，并以此循环形成空腔模型.[2]

4结论

通过改变侧窗开度和全开时假人与座椅分布建立不同工况下的MIRA模型，利用CFD软件进行三维稳态数值模拟.由分析仿真结果可知：

（1）当侧窗全闭行驶时，汽车的气动阻力因数最小.

（2）气动阻力因数随侧窗开度的增大而增大.

（3）乘员舱内的空间布置对进气量和流场分布有较大影响，仿真模拟时忽略假人等乘员舱内布置，会引起流场失真.

（4）汽车的气动阻力因数受多种因素的共同作用.当考虑乘员舱内流时，既要关注进气量，又要考虑舱内布置的影响，在不同工况下，起主导作用的因素不同，不可一概而论.

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[5]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004： 120126.

[6]王莉. 快背式轿车空气动力特性分析[D]. 长春： 吉林大学， 2005.

[7]刘畅. 重型载货汽车的空气动力特性研究[D]. 长春： 吉林大学， 2008.

[8]王文亮， 魏道高. 基于某型轿车的外流场数值模拟[J]. 汽车科技， 2010（2）： 4447.

[9]王佳， 杨志刚， 朱晖. 阶背式MIRA模型气动阻力数值模拟网格无关性研究[J]. 佳木斯大学学报： 自然科学版， 2012， 30（3）： 345349.

[10]庞加斌， 林志兴， 余卓平， 等. TJ2风洞汽车模型试验的修正方法[J]. 汽车工程， 2002， 24（5）： 371375.

[11]张英朝， 李杰， 张喆. 轿车开窗行驶时的气动阻力分析[J]. 江苏大学学报： 自然科学版， 2010， 31（6）： 651655.

（编辑陈锋杰）