汽车外部电子后视镜尾流区域气动特性研究

李少峰，武建德，王 鹏，刘东曜

(中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)

汽车在道路上行驶时，流经后视镜外缘的气流会分离并形成类似于卡门涡的湍流结构，该结构在后视镜尾部沿气流流向移动，拖出一段较长距离，同时该结构中还存在规则的涡系[1-3]。湍流结构中的涡流和气泡及其与汽车车身覆盖件和侧窗玻璃等的相互作用是引起后视镜气动噪声的主要原因。本文基于SSTκ-ω湍流模型模拟风洞仿真实验分析的方法，研究了后视镜尾流区域的气动特性，并依据仿真结果分析电子后视镜的优势和其对整车气动特性的影响机理，进而为后视镜的声学与气动优化提供参考[4-8]。

1 电子后视镜与传统后视镜的模型分析

传统镜面后视镜利用反射原理，可将汽车两侧的道路信息反馈给驾驶者，但存在一定的局限。首先盲区大，受调整角度和镜面反馈面积所限，视野狭小。其次风阻系数大，汽车的风阻系数通常在0.3左右，虽然某些车型甚至能小到0.23左右，但就后视镜而言，其风阻系数能达到0.01～0.03，对整车风阻影响很大，会增加3%～6%的空气阻力，使得油耗上升，且增大高速行驶时的风噪[9]。鉴于以上因素，一种基于摄像头和液晶显示屏的电子后视镜日益受到关注，其原理是通过摄像头将路况信息传输至显示屏，避免了驾驶员摆头观察左右后视镜。电子后视镜上的广角摄像镜头以及各类图像处理技术的运用，在最大限度消除盲区的同时，还能拓展视野，提高驾车安全性。另外，因为电子摄像头后视镜无镜面，因此体积相对缩小，风阻系数降低，燃油经济性得到改善，汽车效能提升，更加符合空气动力学原理[10]。本文基于CFD(computational fluid dynamics，计算流体动力学)原理，通过对电子后视镜进行仿真，对其尾流区域的气动特性进行研究，并通过对传统后视镜的仿真来进行对比验证，图1所示为电子后视镜与传统后视镜的模型。

图1 汽车外部后视镜模型

2 数值模拟参数的设置

2.1 建立仿真计算模型

对照汽车风洞实验的方法创建仿真风洞模型，然后把后视镜模型放置于长1 200mm、宽1 000mm的平板上。风洞模型的尺寸如下：长10 200mm，宽4 000mm，高1 200mm。风洞流场入口距平板的距离为3倍的平板长，出口距平板的距离为4.5倍的平板长，平板在风洞模型中左右对称，如图2所示。

图2 仿真风洞CAD几何模型

仿真风洞模型流体计算域的网格划分采用Hypermesh与TGrid相结合的方式。利用Hypermesh对在CATIA中创建的计算域和后视镜几何模型作面网格的划分，后视镜表面最小网格尺寸为 2mm，安放后视镜的平板表面最大网格尺寸是10mm。流体计算域的底面采用渐变式网格划分，最大尺寸为100mm，面网格总数约为48.35万，图3所示为仿真风洞模型流体计算域。

图3 仿真风洞模型流体计算域

为满足电子后视镜壁面湍流黏性边界层计算需要，风洞模型采用“三棱柱-三角型-四面体”混合网格生成方法。生成面网格后，利用TGrid软件将后视镜表面拉伸出三棱柱网格，第一层网格厚度为0.01mm，呈线性增长，斜率为0.2，共拉伸10 层，总高度为9.1mm。当边界层生成后，需要对整个流体计算域作四面体网格划分，以形成半结构化和非结构化的网格耦合形式[11]。渐变式划分整个仿真风洞模型的网格，即离后视镜近的网格细密度要得到保障，远的区域要适度稀疏，目的在于满足计算精度的同时充分考虑计算效率，计算域体网格最终数量约581万，图4为后视镜表面局部区域放大图。

2.2 数值模拟参数的设置

基于Fluent进行仿真模拟实验，流体计算域的入口处来流设置为自由流。出口处对气流影响不大，此处设置为不可压缩的自由流。入口处边界条件设置：速度入口气流流速为27.78m/s，依据汽车风洞仿真实验经验值确定湍流强度值为0.5%，水力直径根据式(1)进行计算：

图4 后视镜表面局部区域放大图

(1)

式中：D为水力直径，即非圆管的特征长度；A为来流断面面积；P为来流断面周长。

仿真风洞模型流体计算域来流断面形状为矩形，尺寸为高1 200mm、宽4 000mm，于是得到水力直径为1 846mm。出口处边界条件设置：出口处设置为压力出口，表压设为0 Pa；后视镜、平板及流体计算域的上、下、左、右面全部设置为固定壁面。表1即是对边界条件参数设置的汇总。

表1 边界设置条件

2.3 湍流数学模型的选择

在本文仿真风洞实验的计算中，求解选用混合模型SSTκ-ω方程[12]。κ-ε模型与κ-ω模型通过一个联系函数结合即可得到SSTκ-ω模型。设φ1，φ2和φ3为联系函数，则κ-ω模型、κ-ε模型和SSTκ-ω湍流模型之间的函数关系可用式(2)表示为

φ3=F1φ1+(1-F1)φ2

(2)

式中：F1为混合函数，其作用是实现κ-ω模型与κ-ε模型间的过渡[13]。式(2)的具体表达和常量取值可参见文献[14]。

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟流程

整个风洞仿真计算流程如图5所示，过程共分为3个部分，即前处理、求解和后处理。在计算前后过程中，需要对必要环节进行反复修改，以确保仿真过程的规范性和方法的正确性，便于做进一步的气动特性分析。

图5 数值模拟流程图

3.2 后视镜的区域气动特性仿真分析

对整车的气动噪声和气动阻力影响较大的地方是后视镜尾流区域。为了更好地分析该电子后视镜尾流区域的影响机理，本文在流体计算域中创建了3个两两垂直的平面，且3个平面分别平行于xy，yz和xz平面，如图6所示。

图6 新建后视镜附近区域的3个平面示意图

图7和图8为3个平面上的压力云图。通过对平面1、平面2和平面3上的电子后视镜与传统后视镜压力云图分析，可以看到本文的电子后视镜气流分离与再附着程度不大，前部的压力梯度变化较小，同时沿x轴向，湍流区向两端偏移，压力脉动要优于传统镜面后视镜[15]。因为优化了后视镜底端构型特征，因此湍流脉动压力的变化在一定程度上能够得到削减，声源分布得到有效改善。

图7 平面上的电子后视镜静压力云图

图8 平面上的传统镜面后视镜静压力云图

两后视镜速度矢量图反映在平面1、平面2和平面3上的情况如图9和图10所示。由图可知，平面1上传统后视镜相对于电子后视镜涡流更为不规则。当气流流经后视镜外缘后，涡流运动的同时存在能量消耗，但消耗的能量可在气流与涡流间的剪切力做功中得到补充，保持涡流呈周期性变化。平面1、平面2和平面3上虽均有轻微反向涡流，但流经后视镜外缘的气流与涡流流向基本是一致的。

图9 平面上电子后视镜速度矢量分布图

图10 平面上传统后视镜速度矢量分布图

为便于确定电子后视镜后部的涡流区域，创建两个与xy平面和yz平面平行的面，如图11所示。

图11 与xy平面和yz平面平行的平面示意图

湍流的尺寸可通过图11新建两平面上的涡流尺寸来确定。图12和图13为分别与xy平面和yz平面平行的面上的流线图。

图12 与xy面平行的面上的流线图

由图12和图13可知，电子后视镜相对于传统后视镜尾部区域湍流结构较好，沿y轴的负方向看，流场形成的湍流区域约为该电子后视镜轮廓的75%。为了系统分析该区域的气流运动特性，于是创建平行于xz的平面(如图14所示)，该平面上的流线图如图15所示。

图13 与yz面平行的面上的流线图

图14 与xz面平行的平面示意图

图15 与xz面平行的面上的流线图

由图15可见，电子后视镜尾部区域的平面上中部的气流速度较两侧低，同时中部区域形成了一个低速层，且存在一个涡流中心，该涡流中心随气流的不断运动均匀发散，而传统后视镜尾部区域的流线相对紊乱。因为电子后视镜尾部区域涡团相较传统后视镜更接近镜片位置，所以该电子后视镜对整车气动噪声尤其是对主驾驶位的声压级的改善更加明显。

4 结束语

由本文的研究结果来看，该电子后视镜相对于传统镜面后视镜在降低整车气动噪声和气动阻力方面优势明显。研究的方法和结果不仅为今后电子后视镜的声学与气动优化提供了理论参考，还对相关理论研究与工程开发有一定参考价值。但由于该研究结论没有试验的支撑，因此研究结果具有一定局限性，需要后续进一步试验验证，以提高研究方法和研究结果的可靠性。

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