某轿车侧风作用下的气动特性分析与改进研究

陆润明，廖抒华，覃紫莹

(广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州 545006)

1 引言

在汽车实际行驶中，气流是不会总是与汽车的纵对称面平行的，当气流与汽车存在横偏角时，汽车都会产生气动侧力[1]。汽车在有侧风的环境下行驶，会受到侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的作用，其行驶稳定性就会受到影响，会威胁到汽车的行驶安全。在如今，汽车追求低能耗的大背景下，汽车轻量化作为降低能耗的重要手段，但汽车轻量化的同时，会使得汽车的侧风稳定性变差，高速行驶时会使潜在的危险性加剧。所以，在新车型开发中，应重视汽车的侧风稳定性的研究，降低汽车的侧风敏感度，以提高行驶稳定性。

近年来，很多学者在如何提高汽车侧向气动性能上做了研究。如王夫亮等[2]采用稳态方法和动态方法对侧风作用下的汽车外流场进行了3种情况的数值模拟，将3种模拟结果进行对比，同时将部分模拟结果与试验值进行了对比；王露等[3]运用CarSim仿真软件构建特定道路模型和侧风模型，系统地模拟了侧风作用下山区高速公路行车稳定性；张英朝等[4]采用横摆模型法对不同侧风下的赛车气动特性进行了CFD仿真和试验研究，并对不同侧风下流场中速度以及压力的分布进行了分析，探究了气动力系数和尾部流场的差异；杨彬[5]对阶背式MIRA模型在自然侧风下的风阻、压力场、外流场等表现进行了数值模拟仿真研究。在汽车受侧风影响这个方向上的研究，对汽车行驶中侧向风带来的影响研究居多，对汽车侧向气动性能优化的偏少。

本文以某轿车为研究对象，采用与实际行驶情况接近的移动地面稳态模拟方法[2]，分析了在不同强度侧风下轿车影响车身周围流场的变化。运用网格自适应方法、试验设计、近似模型等技术方法，探讨车身两侧表面结构参数对轿车的侧向气动性能的影响，并在此基础上，优化车身两侧的结构参数，以提高轿车侧向气动性能。

2 计算模型搭建与边界条件

2.1 建立仿真模型

在车型开发初期，主要考虑车身周围的流场特性，且不考虑汽车内流场的影响，所以对模型的表面特征进行简化。几何处理如下：去除车身最外层表面以外的特征、封闭进气格栅、封闭轮胎且车身底面用平面覆盖，处理后的几何表面如图1所示。

图1 处理后的几何表面

研究表明，只有阻塞比低于1%的风洞实验结果，阻塞干扰产生的误差才能被忽略[6]，计算如(1)式

(1)

式中，ε为阻塞比，A为汽车正投影面积，AN为虚拟风洞入口面积。

本次仿真中，建立高为10m，宽20m，长50m的虚拟风洞，如图2所示。模型正投影面积A：1.951389m2，虚拟风洞入口面积AN：200m2，所以ε=0.98%<1%，满足阻塞比的要求。

图2 虚拟风洞示意图

为更好地捕捉车身周围的流场现象，在车身周围设置多个局部网格加密区，以提高车身周围的计算精度，设置边界层网格并生成体网格，建立完成的仿真模型如图3所示。

图3 对称面网格截图

2.2 物理模型的选择

物理模型的选择决定于虚拟风洞的气流流动状态，气流流动状态主要有两种形式，即层流和湍流。流动状态的可以由雷诺数的大小得出，计算如(2)式

(2)

当Re≫2300，可知其流动状态属于高雷诺数湍流状态。高雷诺数湍流模型一般有以下几种：标准k-epsilon模型、RNG k-epsilon模型和Realisable k-epsilon模型。而Realisable k-epsilon模型相对于标准k-epsilon模型和RNG k-epsilon模型，其满足对雷诺应力的约束条件，因此可以在雷诺应力上保持与真实湍流一致。同时文献[7]对轿车外流场CFD分析中常用k-ε湍流模型做了对比分析和实验验证，证明了Realisable k-epsilon模型更适合轿车的气动性能分析。本文选用Realisable k-epsilon湍流模型，其流动方程表达如下：

湍动能k方程

+Pb-ρε-YM+Sk

(3)

耗散率ε方程

(4)

2.3 近壁面处理

在临近壁面的区域，在壁面的法线方向上速度存在很大的梯度，在很小的距离内速度的变化很大。为保证更准确地模拟在近壁面的流动，需要在黏性底层布置较多的节点，边界层网格质量可通过控制y+值得范围来实现，对于高雷诺数模型，y+≈30，进而得出确定边界层网格与壁面的最小距离y，y由以下(5)-(9)式得出

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，Re—雷诺数，ρ—空气密度，v—气流平均速度，l—特征长度，μ—动力黏性系数，Cf—壁面摩擦系数，τw—壁面切应力，uτ—壁面摩擦速度。

在本次仿真中，空气密度1.18415kg · m-3，气流平均速度120km·h-1，特征长度2.55m，动力黏性系数1.85508×10-5k g ·(m · s-1)，y+取30。代入数据至(5)-(9)式，边界层中首层网格厚度为3.7×10-4m，所以设置首层网格厚度为0.37mm。

2.4 边界条件的设定

汽车行驶时周边气体流速不高，压强变化小，所以在研究汽车外部气流流动时，可以忽略压缩性的影响[1]。其控制方程如下：

连续方程(质量守恒方程)

(10)

式中：ρ气体密度，ui为i方向的速度分量

动量守恒方程

(11)

式中：P是静压力，τij是应力矢量，ρgi是i方向的重力分量，Fi是由阻力和能源引起的其它能源项。

气体状态方程

PV=ρRT

(12)

式中，P—气体压强，V—气体体积，ρ—气体密度，R—气体常数，T—气体热力学温度。

边界条件设置如表1所示。

表1 仿真分析边界条件

仿真模拟试验设置车辆行驶速度恒定为120km/h，横摆角分别为：0°、5°、10°、15°、20°，速度加载的方式为车辆行驶速度与侧向风速的合速度，横摆角、车辆行驶速度、侧向风速、合速度的关系如表2所示，在仿真模拟中的合速度加载方式[8，9]如图4所示。

表2 横摆角、车速、侧向风速、合速度的关系

图4 侧风加载方向示意图

图5 各横摆角下车身表面压力分布及车身两侧流场湍流动能图

3 不同强度侧风下汽车外流场分析

由图5可以看出，随着横摆角的增大，车身迎风侧表面压力也越来越大，在车身背风侧面的湍流动能也越来越大，亦即在车身背风侧的能量损失越来越大。这样在车身迎风侧表面压力增大，车身背风侧面的压力减小，导致车身两侧面的压差随着横摆角的增大而增大，且由车身表面压力分布可以看出，随着横摆角的增大，压力值也在逐渐变大同时，风压中心逐渐往车头方向移动。

图6 横摆角与气动侧力系数关系图

图7 横摆角与气动侧力关系图

由图6、图7可以看出，当横摆角越大，气动侧力系数就越大，气动侧力也越大，且近乎线性增大，当横摆角为20°时，气动侧力系数为0.847，气动侧力为1231N，约为整车重量的9%。

当汽车受到侧力影响时，汽车本身并不能产生力一个平衡力，只能靠驾驶员通过方向盘修正保持方向，但这样会加重驾驶员的疲劳感和影响汽车的行驶稳定性，威胁行车安全。通过优化汽车外形，降低汽车外形对侧风的敏感度，从而降低侧向力对行车的影响。

4 优化设计

4.1 试验设计分析

使用试验设计方法，可以有效地减少复杂系统仿真次数，提高优化分析效率，帮助辨识关键的试验因子、确定最佳的参数组合、分析输入参数与输出参数之间的关系和趋势、构建经验公式和近似模型等[10]。本次试验选用最优拉丁超立方法，此方法能够使试验点尽量地均匀地分布在设计空间，具有很好的空间填充性和均衡性。

4.2 参数变量设计

采用FFD(Free Form Deformation)参数化方法对变量实现网格自适应变形，该方法仿照弹性物体受外力后发生相应的变形这一物理现象，将研究对象置于控制体当中，给控制体施加外力，则控制体内的所有几何发生相应变形，处于其中的研究对象形状也即发生变化[11]。从文献[12]可知，车身侧面结构对车辆的侧向气动性能有很大的影响。本次优化只调整车身的横向特征。通过对不同强度侧风下汽车外流场的分析，结合气流分离机理，在不影响车辆装配要求、使用性能等的前提下，在车身两侧选择的结构参数变量为：侧窗倾角、侧围弧度和门槛弧度，各变量控制点变化如表3所示，在网格变形软件sculptor中建立对应的参数化模型。本次试验选用横摆角为20°的侧风条件下进行车身侧面结构优化，以气动侧力系数为优化目标，在全局寻求各参数变量的最优组合，参数变量设计如表2所示。

表3 参数变量设计

4.3 试验设计结果分析

由图8主效应图可知，侧围弧度对整车气动侧力系数的影响较大，且与气动侧力系数近乎呈线性关系。如图9所示，根据线性回归模型的系数大小判断各变量对气动侧力系数的贡献率，由图可以看出，三个变量与气动侧力系数之间均呈正相关关系。由图10各变量之间的交互效应图可知，三个变量两两之间的交互作用不明显，且有相同的趋势，起相互促进的作用。

图8 主效应图

图9 Pareto图

图10 各变量之间的交互效应图

4.4 近似模型可信度分析及选择

近似模型方法(Approximation Models)，通过构建逼近输入变量和响应变量关系的数学模型，替代仿真软件高昂的计算代价。这种方法加快了寻优速度，减小了计算量并缩短计算周期。常用的近似模型包括：响应面模型、神经网络模型、Chebyshev正交多项式模型和Kriging模型。不同的近似模型有不同的特点和优势，通过比较不同近似模型对样本点的拟合精度，对各近似模型进行可信度分析，如图11所示，是拟合精度的散点图，横坐标为近似模型预测值，纵坐标为仿真值，斜线是近似模型预测值与仿真值的等值线，由散点图可知，Kriging模型的拟合精度最好，拟合精度系数R2为0.967，结合文献[13]的实验验证，本次优化选用Kriging模型。

图11 各近似模型拟合散点图

4.5 优化方法

本次试验选用多岛遗传算法(MIGA)在整个设计优化空间进行寻优。这种方法模仿生物进化的遗传繁殖机制，对优化个体进行编码，然后对编码后的个体进行选择、交叉、变异等遗传操作，在优化过程中具有很好的鲁棒性，故使用该方法在整个优化空间内进行自动寻优。

5 优化结果分析与仿真验证

通过建立近似模型进行全局寻优，近似模型预测值与对应的控制点变化范围如下：

表4 控制点变化与预测值

对近似模型的预测结果进行仿真验证，结果如表5所示

表5 优化结果验证

近似模型的预测值与仿真值之间误差值为0.018，误差较小，即气动侧力系数降低18.65%，对应的气动侧力值减小了230N，优化效果良好。优化前、后车身周围流场对比如图。

图12 优化前、后车身两侧湍流动能图

图13 优化前、后车身迎风侧表面压力分布

图14 优化前、后车身背风侧表面压力分布

由图12为优化前、后的湍流动能图，由图可见，优化后车身背风侧的湍流动能明显减小，故在车身背风侧的气流能量耗损降低，亦即车身两侧湍流情况有所改善。

由图13、图14可看出，优化后车身迎风面的压力有所降低，背风侧压力升高，使得车身两侧区域压力差减小，从而使车辆受到的侧向力减小。根据计算可知，原始模型以120km·h-1的速度行驶时，遭遇右侧43.68 km·h-1的侧风影响时，受到的气动侧力为1231N，在相同环境条件下，优化后模型的气动侧力为1001N，优化后模型的气动侧力降低230N。

6 结束语

文章分析了在车辆以120km·h-1直线行驶，遭遇不同强度侧风影响下的车辆外流场的变化，并在横摆角为20°的侧风条件下，探索车身两侧表面结构参数与车辆侧向气动性能的关系，进而优化车身侧面结构参数，提高车辆的行驶稳定性。

研究结果表明：

1)在不同强度侧风作用下，车身周围流场都有明显变化，车身两侧的压力差随着侧风强度增大而增大，风压中心随着侧风强度增大而逐渐往车头方向移动。

2)气动侧力系数和气动侧力都随着侧风强度的增大而增大，且增长趋势明显。

3)运用网格自适应方法、试验设计方法与近似模型方法相结合进行车身侧面优化，相比于传统车身优化方法大幅度减少了优化时间。

4)通过优化车身侧面结构：侧围弧度、侧窗倾角、门槛弧度，使气动侧力系数降低18.65%，有效地提高车辆在侧风作用下的气动稳定性。