数值风洞仿真与开阔路面仿真的关联性研究

2020-06-29李舒雅郭西全

汽车工程 2020年6期

宋昕，李舒雅，严杰，刘政，杨辉，郭西全

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

前言

根据新版《乘用车燃料消耗量限值》国家标准，我国乘用车新车平均燃料消耗量限值将在2025年下降至4 L／100 km，汽车企业节能减排的压力显著增加。与此同时，测试工况由NEDC调整为WLTC，其试验平均车速由33.6提升到46.3 km／h，最高车速由120提高到131.3 km／h［1］。由于气动阻力与速度的平方成正比［2］，其在新标准中对燃油消耗量的贡献值也大幅提升。

风洞试验是空气动力学性能开发中的重要方法，但受风洞干扰效应影响，其结果不能真正代表汽车在道路上行驶时的空气阻力。虽然风洞试验修正技术经过长期发展已经取得了一定成果［3-4］，但对于3／4开口风洞，暂时还没有普遍适用的修正方法来评估干扰效应对空气阻力的影响［5］。因此，结合具体风洞，开展数值风洞仿真与开阔路面仿真的关联性研究，并将研究成果应用于风洞试验结果的修正，对后续产品开发中尽可能准确地评估道路上真实的气动阻力具有重大意义。文献［6］～文献［9］中均基于斯图加特内燃机与车辆研究所的模型风洞（IVK）搭建了数值风洞模型，比较了不同汽车模型的风洞试验结果与数值风洞仿真结果。结果表明：基于数值风洞的仿真结果与试验结果比较接近。文献［10］中研究了风洞喷口阻塞效应等因素对气动力的影响，并对喷口法和驻室法进行了比较。

现有的研究多集中于风洞试验与数值风洞仿真的对标，或其与开阔路面仿真的对标。对于前者，由于数值风洞模型参照实车风洞搭建，因此无法分析风洞干扰效应对气动阻力的影响。对于后者，试验与仿真的误差由湍流模型误差与物理模型误差共同引起，因此也无法从中分析风洞干扰效应对气动阻力的影响。本文中以DrivAer模型为研究对象，对比了数值风洞仿真和开阔路面仿真的结果，分析了多种车辆形态下，风洞干扰效应对气动阻力影响的规律，并对部分机理进行了阐述。

1 风洞与DrivAer模型介绍

1.1 风洞简介

该在建风洞为3／4开口回流式风洞，喷口面积为20.22 m2，试验段长为17 m，最高风速为200 km／h，温度控制范围为20～60℃，湿度控制范围为15%～90%，能为乘用车提供空气动力学测试、气动噪声测试和热力学测试。风洞整体布局见图1。

图1 风洞结构示意图

为保证静压梯度、压力脉动等流场品质参数达到设计要求，在前期通过搭建1∶13.5的模型风洞，对风洞的部分设计参数进行了调试，模型风洞试验如图2所示。

1.2 DrivAer模型

DrivAer模型［11］是慕尼黑工业大学空气动力学研究所开发的通用汽车模型。它是奥迪A4和宝马3系的组合，相比于经典的科研用模型，如Ahmed模型和SAE模型，提供了更详细的几何结构。此外，DrivAer模型采用了模块化设计，有3种可更换的后背和两种车底结构，具体如图3所示。

图2 模型风洞试验现场图

图3 DrivAer模型示意图

1.3 计算域与网格划分

数值风洞参照实车风洞尺寸和结构搭建，并对结构进行了适当的简化，保留了沉降室、收缩段、喷口、驻室、收集口和紧接其后的扩散段。为防止回流发生，在沉降室之前和扩散段之后对计算域进行了适度的延伸。气流从沉降室前流入，从扩散段后流出，具体如图4所示。开阔路面仿真近似模拟汽车在道路上行驶的工况，工程上一般采用足够大的长方体作为计算域。本文中计算域参照SAE标准J2996［12］搭建，尺寸为车前部3倍车长、后部6倍车长，宽度为10倍车宽，高度为6倍车高。

图4 数值风洞模型示意图

面网格的大小、加密区域的大小等网格参数的设置参照Starccm+软件最佳实践，并以详细车底DrivAer阶梯背模型为研究对象进行了数值风洞仿真的网格无关性分析，结果如表1所示。

表1 网格无关性计算结果

从表1中可以看出，方案2网格数量比方案3少570万个，但误差仅为0.7%。综合考虑计算精度和效率，数值风洞仿真采用方案2的网格策略。开阔路面仿真按同样标准划分网格，并保证两种方法中对应区域的网格大小保持一致，以避免网格因素的影响。车身附近计算网格如图5所示。

图5 网格示意图

1.4 边界条件和物理模型参数

仿真分析中模拟车速为40 m／s。对于数值风洞仿真，入口速度须根据式（1）换算，其中入口面积为125 m2，喷口面积为20.22 m2，因此入口实际速度为6.47 m／s。其它边界与开阔路面一致，详见表2。

式中：vi为入口处速度；Si为入口面积；vj为喷口处速度；Sj为喷口面积。

表2 计算域边界条件设置

基于雷诺时均法（RANS）的双方程模型能较好地兼顾计算效率和精度，在工程中被广泛应用。本文中采用 Realizable k-ε模型和 Two-Layer All Y+Wall Treatment进行计算。

1.5 车辆形态定义

DrivAer模型本身具有多种组合，但为了进一步比较底部结构改变时，两种仿真方法对气动阻力变化趋势和变化量评估的不同，在前保险杠下端新增了气坝，高度为3 cm。通过不同背部造型和配置的组合，形成了12种不同的车辆形态，具体见表3。

表3 车辆形态列表

2 结果与讨论

2.1 空风洞分析

在无车状态下，数值风洞内的流场与开阔路面仿真时的流场就已存在显著区别。从图6可以看出，经过收缩段加速的气流，以大约7°的角度从喷口流入驻室，形成了明显的剪切层，剪切层内速度变化很小。这种速度一直保持，直到进入收集口后，受扩散段的影响速度才逐渐降低。测力天平的中心位于喷口后4.4 m处，试验车辆需安装在喷口后1.4～7.4 m的范围内。该区域处于剪切层内，风速变化小，能满足试验要求。对于开阔路面仿真，不存在流道截面面积的改变，气流在流道内基本均匀分布，速度梯度很小，具体情况在此不再赘述。

2.2 气动阻力对比

2.2.1 基本形态仿真与试验对比

图6 空风洞速度云图

形态2、形态6和形态10是众多文献中普遍研究的基本形态。此处将文献［11］和文献［13］中的试验结果与本文的仿真结果进行对比，结果如图7所示。由图可见，不同风洞之间测试结果存在一定差异，且这种差异随车型变化。对于形态2和形态6，文献［11］中的试验结果较大，对于形态10则文献［13］中的试验结果较大。以文献［13］中的试验结果为基准，两者误差为-0.21%～3.2%，3种形态的平均误差为2.5%。这主要是因为不同风洞的静压梯度、喷口阻塞效应和收集口阻塞效应等均存在差异，不同车型对这些差异的敏感性不尽相同。对比仿真与试验，总体来说，数值风洞仿真结果比较接近试验结果。以试验的平均值为基准，数值风洞仿真误差在-0.3%～4.8%之间，形态10误差最大，3种形态的平均误差为1.8%；开阔路面仿真误差在0.9%～8.2%之间，形态6误差最大，3种形态的平均误差为5%。如上所述，仿真与试验的误差主要来源于物理模型的误差和湍流模型的误差，当二者均较小或二者产生的误差能相互抵消时，仿真结果与试验结果较为接近。因此，基于实车风洞搭建物理模型，排除风洞干扰效应对计算结果的影响，才能更好地开展仿真结果与试验结果的对比。2.2.2 两种仿真方法结果对比

图7 风阻系数仿真与试验对比

对表3中12种形态进行了仿真分析，数值风洞仿真与开阔路面仿真结果对比如图8所示。由图可见，开阔路面仿真得到的风阻系数均大于数值风洞仿真得到的风阻系数，且带有详细车底模型的形态2、形态6和形态10差值更大，为17～22 counts（1 count相当于风阻系数为0.001）。无论是否有后视镜，光滑车底形态下，两种计算方法得到的风阻系数相对接近，为6～12 counts。在详细车底模型基础上增加气坝后，两种计算方法得到的风阻系数差值为7～8 counts，与光滑车底形态基本一致。这说明车辆底部流场仿真的结果受计算域的影响较大。主要原因如下：在3／4开口风洞中，由于模型安装位置离喷口较近，其前部的正压区会延伸到上游喷口附近。因此，喷口的射流会受到类似固壁的阻塞作用，其截面流速分布会发生改变，使下部流速降低。图9（a）和图9（b）分别为形态2开阔路面仿真和数值风洞仿真车身底部速度矢量图，高度为Z＝0.06 m。由图可见，数值风洞仿真时进入底部的气流速度相对较低，其对凹凸不平的车底冲击较小，尾部速度相对较高，能量损失少。因此，采用数值风洞仿真得到的风阻系数明显小于开阔路面仿真得到的风阻系数。图9（c）和图9（d）分别为形态3开阔路面仿真和数值风洞仿真车身底部速度矢量图，高度为Z＝0.06 m。由图可见，数值风洞仿真时进入底部的气流速度依然相对较低，但由于车底光滑，尾部气流速度相差不明显，因此，两种方法计算得到的风阻系数相差不大。

图8 各车辆形态风阻系数对比图

图9 底部速度矢量图

2.3 风阻系数变化量对比

基于表3所列形态，对比了形态变化时，两种仿真方法计算得到的风阻系数变化量ΔCd，具体见表4。形态X-形态Y表示从形态X变化到形态Y。由表可见，除形态2-形态6外，两种仿真方法计算得到的变化趋势均一致。该特例可能是由于仿真分析误差，以及形态2和形态6本身差别并不大所致。从位置看，对于背部和后视镜变化，两种仿真方法计算得到的ΔCd相差2～5 counts；对于车底和气坝变化，两种仿真方法计算得到的ΔCd约为9～15 counts。将整车分为车身前部、车身背部、车底、后视镜、前轮、后轮和气坝7部分。由形态1变化到形态2时，各部件风阻系数变化如图10所示。由图可见，两种仿真方法的结果主要差别在车底和前部。

表4 风阻系数变化量对比

图10 各部件风阻系数变化

2.4 流场对比

图11 为形态2对称面速度矢量图。从图11（b）可以看出，在数值风洞仿真中，受模型阻塞影响，风洞原有的剪切层形状发生了改变，在车身上部变为向上拱。相对于开阔路面仿真，数值风洞仿真在模型的前部、底部、上部速度均较低。在模型的尾部，两种仿真方法模拟的尾涡结构相似，图11（b）中上部的尾涡相对图11（a）位置偏上，速度相对较高。因此尾部区域负压相对较低，这也是数值风洞仿真风阻系数相对较小的主要原因之一。