非稳态侧风条件下车辆气动特性研究＊

鲍欢欢 王勇 周龙 曾翌 陈阵

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）

非稳态侧风条件下车辆气动特性研究＊

鲍欢欢1,2王勇1周龙1曾翌1陈阵2

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）

为揭示车辆在侧风下的气动特性，通过编写用户自定义函数（UDF）实现来流方向按正弦函数规律变化，模拟了车辆的非稳态侧风工况。计算结果表明：通过UDF连续改变来流方向的方法可实现对车辆非稳态侧风的模拟；非稳态侧风中，尾部流场结构和车身表面气流分离位置的变化，以及车身上、下部的速度差是气动力波动的主要原因。对不同尾部造型车辆的气动特性研究表明，尾部造型对车顶负压区范围的影响是气动升力差异较大的主要原因。

1 前言

车辆在实际行驶中始终受到侧向气流的影响，侧向气流不仅使车辆具有偏离正常行驶方向的趋势，而且由于周围流场结构的变化，还会对气动阻力和气动升力带来不利的影响。这除了增加车辆燃料消耗外，在高速行驶中，往往会给行车安全带来较大的隐患[1]，因此，研究车辆在侧风条件下的气动特性对提高车辆高速工况下的行驶安全性更为重要。

汽车风洞试验和CFD仿真是气动特性研究的重要方法。文献[2]使用CFD仿真对“偏车”和“合成速度”两种侧风模拟方法进行了对比研究。文献[3]使用动网格方法对侧风条件下的气动特性进行研究，并与试验结果进行了对比。文献[4]使用牵引模型法对侧风条件下的瞬态气动力和力矩进行了研究。文献[5]对侧风条件下车辆的不稳定性进行了CFD仿真和风洞试验。在风洞试验中，侧风的模拟一般采用转台旋转、牵引模型和侧风发生器，其中转台旋转和牵引模型只能对稳态侧风进行模拟，侧风发生器通过引入额外的气流可对车辆稳态和非稳态侧风进行研究，但设备和试验方法较为复杂；在CFD仿真中，一般采用模型旋转、合成速度和动网格，前2种方法仅能模拟稳态侧风工况，动网格方法虽然可对非稳态侧风进行模拟，但动网格一般占用计算资源较多，边界条件设置也较为复杂。因此，需要探讨一种快速高效的非稳态侧风模拟方法。

本文通过编写UDF程序定义来流速度方向随时间的变化，以此模拟车辆受到的非稳态侧风作用，对车辆非稳态侧风下的气动特性进行计算，得到了车辆气动力和流场结构在瞬态侧风下的变化，并计算了尾部造型对气动特性的影响。相比文献[2]介绍的侧风工况计算方法，在数值计算中更为真实和准确地模拟了车辆行驶中所受到的侧向气流。

2 计算模型及网格划分

本文计算模型采用MIRA阶梯背模型，该模型广泛应用于汽车气动特性研究中，其结构尺寸如图1所示。

建立的计算域如图2所示，计算域大小为：入口距车头5倍车长，出口距车尾20倍车长，左、右侧与车辆距离各为10倍车宽，总高度为5倍车高。为避免左、右壁面在侧向气流冲击下产生回流，对车辆瞬态流场计算产生干扰，设置入口长度为5倍车宽。

图2 计算区域示意

使用网格划分软件ICEM-CFD在计算域中生成四面体和六面体的混合网格。为满足壁面函数的要求，在模型表面拉伸出棱柱形状的边界层网格，边界层初始厚度为0.5 mm，增长率为1.2，厚度为3.85 mm；为保证流场计算精度，对模型周围网格进行加密处理。生成的网格数量为624万，最小网格质量为0.139，满足计算要求，生成的体网格如图3所示。

为确保网格划分的合理性和计算的可靠性，定义y+为网格质心到壁面的无量纲距离，并设定其范围为（30,60）[6]：

式中，ρ为流体密度；μτ为剪切速度；yp为边界至相邻控制体中心的距离；μ为运动粘度。

图3 划分的网格示意

3 非稳态侧风数值模拟方法

车辆在行驶中，时刻受到方向和大小同时变化的非稳态侧向气流作用。因此，在CFD仿真中可考虑采用将来流方向在一定频率下按某函数规律进行变化的方法模拟非稳态侧风。

在数值仿真中，对水平速度方向的定义可通过定义速度方向分量x、y的大小来实现，如表示速度方向与水平方向夹角为30°。那么定义x=1，通过定义y在内连续变化，即可实现来流速度方向在-30°～30°间的连续变化。

通过编译UDF程序，在仿真中随着计算时间t的增加，速度方向分量y（t）按正弦函数规律变化，实现对车辆非稳态侧风的模拟：

式中，f为速度方向的变化频率，本文取f=0.5 Hz。

计算时间步长Δt为0.001 s，计算总步数为2 000步，每个时间步长迭代20步，共计算2 s，即计算模型在来流一个周期内的气动特性变化。

编译的UDF函数为：

数值计算采用Realizablek-ε湍流模型[7]，标准壁面函数，压力和速度耦合采用SIMPLE方法，为提高计算精度，采用二阶迎风差分离散格式。计算中，先对稳态来流进行数值计算，将该流场的速度和压力分布作为非稳态计算的初始条件，以提高计算收敛性和精度。设定来流速度为30 m/s，夹角β变化范围为-30°～30°，最大侧风为15 m/s。

在入口中心点位置建立速度监测点，得到该点的y向速度分布（见图4），可看到随着计算时间t的增加，其侧向速度Uy呈正弦规律变化，说明通过UDF编程可在计算域内对连续非稳态来流进行模拟。

图4 入口中心点Uy随时间变化

4 非稳态侧风条件下的车辆气动特性分析

4.1 车辆气动力变化情况分析

在对侧风条件下的车辆气动特性进行分析时，相比于气动力系数，气动力可更直观地反映其气动特性。图5所示为获得的模型气动力在不同强度侧风条件下的变化情况。在计算周期内，随着侧向速度的连续变化，气动阻力和气动升力呈现近似正弦函数的变化规律，两者在t=0.875 s时刻附近达到极大值，在t=1.5 s时刻附近到达极小值。气动侧力呈现先正向增加后减小，再负向增加后减小的变化趋势，分别在t=0.875 s时刻和t=1.94 s时刻附近达到极值。

气动力的变化情况说明，侧向气流对模型气动特性的影响不仅体现在气动阻力和气动侧力上，对模型的气动升力也有较大的影响，侧风工况下的最大气动升力可达118.45 N，这相比无侧风工况下的气动升力增加了51倍，这将大大减小车辆轮胎的抓地力，对高速行驶的稳定性产生不利的影响。

4.2 车身附近流场结构分析

对模型周围流场结构的分析，可以解释气动力变化的原因，并通过气流分离的位置，确定车辆气动优化的区域。

由模型不同时刻水平截面速度云图（见图6）可看到，在t=0.25 s时刻，模型周围流场结构近似对称，随着Uy的强度增大，流场结构不再对称，低速区逐渐增大，在t=1.00 s时刻形成了一对方向相反的涡流A和B，此刻对应的空气阻力也较大。从t=1.00 s起Uy开始反向增大，整体流线和尾部流场向反方向发展，涡流A、B逐渐消失后又重新形成，相对应地，在1 s＜t＜2 s范围内气动阻力也呈现先减小后增大的变化趋势。

图5 MIRA模型气动力随时间的变化情况

图7所示为不同时刻模型纵对称截面流场的变化情况，t=0.25 s时刻，在模型后车窗和备胎舱后方形成了3个涡流D、E、F，车身上、下气流的汇流迹线偏向流场下方，随着Uy的增大，上、下气流的汇流迹线开始向流场上方发展，涡流D的范围开始逐渐减小，涡流E、F的范围开始变大，两者相互影响并逐渐融合，在t=1.00 s时刻，在备胎舱后方融合成一个大的低速涡流G，根据伯努利原理，此时模型尾部的负压区也最大，空气阻力较大，同时涡流G也阻塞了车底的气流通道，将进一步降低车底气流速度，增加模型所受到的气动升力。

图6 不同时刻水平截面速度云图

图7 不同时刻纵截面速度云图

涡流D逐渐减弱，E、F融合的原因是在侧向气流作用下，原本沿车身纵对称截面发展的气流开始偏离，使得车身表面气流分离的位置沿车顶逐渐前移，后车窗位置开始直接受到来流的作用，破坏了这一位置的涡流发展，在流场结构上表现为涡流D逐渐减弱。同时，来流方向偏离车身轴线后也使得流经车身底部的气流增加，整体流线偏向上方发展，车底不断增加的“上卷”气流与车顶“下卷”气流互相作用，在备胎舱后部形成了大的涡流G。在1 s＜t＜2 s范围内，来流方向开始反向偏转，模型尾部流场经历了涡流G逐渐分成2个小涡E、F后又逐渐融合，涡流D逐渐增强后又减弱的周期变化。

同时，由模型车顶和车底位置的速度分布还可以看出：在0.25 s＜t＜1 s范围内车顶区域的速度逐渐增大，模型上、下表面的速度差不断加大，表现为模型的气动升力不断增加；在1 s＜t＜2 s范围内，模型上、下表面的速度差先减小后加大，模型的气动升力也呈现先减小后增加的趋势。

由图8所示的模型在t=1.0 s时刻A柱截面位置的静压和流线分布可看到，由于侧向气流的作用，气流在模型左侧A柱附近分离，形成压力极小值区域，并在车身腰线位置发生回流，使得模型左侧和顶部出现较大的负压区，这是模型在侧向气流作用下，气动侧力和升力增大的主要原因。

图8 模型A柱截面静压和流线分布

图9为在风洞试验中，通过粒子图像测速设备获得的模型在15°横摆角工况下纵对称截面流场分布，可看到其尾流场的汇流迹线偏向上方，相比文献[8]展现的模型在0°横摆角工况下的流线结构，其后车窗后方涡流的范围和涡流强度较小，备胎舱后部2个涡流逐渐融合，这与图7展现的尾部流场结构变化一致，表明本文CFD仿真结果的准确性。

图9 模型尾部流场PIV试验结果

5 汽车尾部造型对气动特性的影响分析

由于汽车的外部造型尤其是尾部造型对其气动特性有较大的影响，因此分别对阶梯背、斜背、直背3种不同尾部造型的MIRA模型进行了非稳态侧风下的CFD计算，分析侧风工况下汽车尾部造型对气动特性的影响。

图10所示为3种模型的气动力随侧风强度的变化情况，可以看到，其变化趋势相似，但在气动力变化的极大值点t=0.93 s时刻，直背模型的气动阻力和气动侧力相比斜背模型分别高出21.55%和73.97%，阶梯背模型的升力相比直背模型高出98.87%，尾部造型的差异对气动力的影响非常明显，尤其是在侧风工况下对气动升力和侧力的影响。

图10 MIRA模型组气动力随时间的变化情况

3个模型气动升力的差异可从纵对称截面静压系数分布（见图11）中分析得出，从前车窗顶部位置开始，其静压分布出现很大的差异。阶梯背模型在后车窗顶部出现气流分离带来较大的负压，在备胎舱上方也为一负压区，这使得阶梯背模型车顶的负压区范围最大，表现为其气动升力较大，对车辆高速行驶稳定性将产生不利的影响。但直背模型在车身最后位置才发生分离，其车顶的负压区的范围和大小均小于阶梯背模型，这一点从车身表面静压分布（见图12）也可看出，这就使得直背模型的气动升力远小于阶梯背模型。斜背模型车顶的负压范围介于阶梯背和直背模型之间，在车尾部由于气流的再附着，甚至出现了正压。

图11 MIRA模型组纵对称截面静压系数分布

图12 MIRA模型组车身表面静压分布情况

气动侧力的差异主要由模型侧面受风区域的大小决定，从图11和图12中还可看出，虽然3个模型前部造型一致，但该位置的静压分布也有一定的差异，说明模型尾部气流状态的不同，也影响了模型前部的静压分布。

尾部造型对气动阻力的影响主要表现在尾部涡流结构的差异上，图13所示为模型尾部低速涡流区的情况，可看到直背模型尾部低速涡流区最大，阶梯背其次，斜背模型最小，低速涡流区域越大说明其尾部形成的负压越大，相应地模型前后的压差阻力也最大，在气动特性上表现为直背模型的气动阻力是最大的。

图13 MIRA模型组尾部速度云图

6 结束语

通过UDF编程连续改变来流方向可对非稳态侧风进行模拟，在真实性和计算资源上相比较其他方法具有一定的优势，与PIV试验获得的尾部流场信息对比，也一定程度上说明了模拟方法的准确性。

模型在非稳态侧风作用下，其气动力波动范围较大，原因是在周期性非稳态侧向气流的影响下，模型尾部涡流、备胎舱上方涡流和侧面涡流的范围和大小呈现周期性强弱变化，这些位置的涡流结构是影响车辆气动特性的关键因素。

不同尾部造型对车辆气动特性的影响比较大，其中气动升力的差异最大，主要由于车顶负压区的范围和大小不同。较高的气动升力将对车辆高速下的行车稳定性带来隐患，因此，降低车顶负压区的范围和大小是车辆空气动力学开发的重要目标。

进一步的研究可考虑不同频率下的来流方向变化对车辆涡流结构的影响，总结影响气动力变化的关键造型区域，以提升车辆在高速行驶中的稳定性和经济性。

1 谷正气.汽车空气动力学.北京：人民交通出版社，2005.

2 龚旭，谷正气，李振磊，等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究.汽车工程.2010，32（1）：13～16.

3 王夫亮，胡兴军，杨博，等.侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究.汽车工程，2010，32（6）：477～481.

4 Kobayashi N,Yamada M.Stability of a One Box Type Vehicle in a Cross-Wind-An Analysis of Transient Aerodynamic Forces and Moments.SAE Paper 881878，1988.

5 Guilmineau E,Chometon F.Experimental and Numerical Analysis of the Effect of Side Wind on a Simplified Car Model.SAE Paper，2007-01-0108.

6 Mears A P,Dominy R G.Racing car wheel aerodynamics comparisons between experimental and CFD derived flowfield data.SAE Technical Paper 2004-01-3555.

7 Shih T H,Liou W W,Shabbir A,et al.New Eddy Viscosity ModelforHigh ReynoldsNumberTurbulentFlows.Compute Fluids，1995，24（3）：227～238.

8 鲍欢欢，谷正气，谭鹏.横摆角下汽车尾部湍流特征量的PIV试验分析.实验力学，2014，29（4）：460～466.

（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2017年2月7日。

Research on Automotive Aerodynamic Characteristics in Unsteady Crosswind

Bao Huanhuan1,2,Wang Yong1,Zhou Long1,Zeng Yi1,Chen Zhen2
（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 401122;2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082）

To reveal the aerodynamic characteristics of vehicle in crosswind,the flow direction change according to sine function are achieved by User-Defined Function（UDF）,and vehicle aerodynamic characteristics in unsteady crosswind was simulated.The results of calculation show that the unsteady crosswind simulation of vehicle can be realized by UDF which continuously changes the flow direction.In unsteady crosswind,the change of tail flow field structure,the flow separation position of body surface and the speed difference of the upper body and lower body are the main causes for aerodynamic force fluctuations.The aerodynamic characteristics of different car tail shapes can also be explored and it shows that the influence range of different tail shape on roof negative pressure under the crosswind is the main cause for the differences of aerodynamic lift.

Unsteady crosswind,UDF,Aerodynamiccharacteristics,Tail shape

非稳态侧风 UDF 气动特性 尾部造型

U461.1；O355 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）10-0018-06

重庆市重点产业共性关键技术创新专项（基于风洞的汽车空气动力学设计及应用）。