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有剪切的侧风流对汽车空气动力学的影响
2022-02-21 22:36:33· 来源：AutoAero
摘要在风洞中，风对车辆的空气动力学特性的影响是通过车辆偏航来模拟的，其中风速在高度上保持恒定。但实际上，自然风是一种层流，层与层间存在剪切，风速随高度
摘要
在风洞中，风对车辆的空气动力学特性的影响是通过车辆偏航来模拟的，其中风速在高度上保持恒定。但实际上，自然风是一种层流，层与层间存在剪切，风速随高度而变化。本文进行CFD 模拟来比较快背式和方背式DrivAer 模型受到侧风时的空气动力学特性，其中偏航模拟是在10°的偏航角下进行的。结果表明，当汽车高度上侧风的质量流相似时，汽车在两种情况下承受几乎相同的力和力矩。
1.简介
汽车受侧风时的空气动力学特性只能在实验或虚拟仿真中近似模拟，这主要是因为使用稳态技术来研究本质上的瞬态事件。在风洞中，侧风的影响是通过设置车辆对气流的偏航角来表示的，CFD也通常模拟这种安排。两种方法都模拟了一辆行驶在有侧风的开阔道路上的汽车，其中风速不随高度变化。但在现实中，侧风中行驶的车辆位于地球大气边界层的最低区域，在这种剪切流中，速度在地面上为零，并随着离地面高度的增加而增加，因此局部偏航角和合成速度都随着汽车高度的增加而增加。
风洞和CFD模拟也采用稳定、低湍流的风输入，而自然风可能是高度不稳定的，并且可能包括显著的湍流水平，如图1所示。在本文中，仅研究图1中间的情况所示的剪切流动。
然而，与汽车相关的地面以上高度（即小于2m）的自然风特性信息极其有限，可用数据是从更高（一般为10m）的建筑和风力涡轮机获得的数据推断出来的，自然风速Uz与地面高度z的关系如下所示：
（1）式中，U10是10m处的风速，指数α取决于地形，表1给出了不同地形的典型α值。（ZG是每个地形的大气边界层的深度）
2.网格和边界条件
DrivAer 模型具有一系列可互换的后端几何形状，因此，研究了剪切对快背和方背车辆类型的影响，模型的主要尺寸见表 2，并采用光滑的底部和封闭的发动机舱以降低计算成本。
模型放置在距离主、次进口分别为5L（Length=4.613m）和6L的计算域中，计算域尺寸为x=18L, y=13L, z=3L，底面设置为滑移，如图2所示。车身表面大部分采用了尺寸为0.001L的网格单元，但在某些位置需要较小的尺寸为0.0001L的网格单元，以保证诸如A柱和C柱等弯曲部件表面的质量。因此，快背式和方背式模型的面网格总数分别为2.7M和2.8M。边界层总厚度为0.001L，层数为8。整个曲面上的无量纲近壁间距值y+<1可确保边界层得到解析，而不是使用壁函数建模。
车身表面附近体网格大小为0.002L，该区域向车身下方延伸0.5L，向车身背风侧延伸0.3L，以捕捉偏航尾流。外层加密域向车身下方延伸2.7L，向车身背风面延伸1L，体网格单元最大尺寸为0.14L,两套网格的体网格总数约为69M。体网格如图3和图4所示。
在两个入口处，速度分量Uv固定为27.8m/s，对于非剪切模拟，Uw速度分量取值为4.9m/s，沿Y轴正方向，故产生大约10°的偏航角和Ur=28.23m/s 的合成速度。对于剪切模拟，Uw速度分量采用图5中所示的曲线（该曲线由公式1计算得出），并假设车辆高度上的质量流量与未剪切情况中的质量流量相同。指数α=0.16 表示开放、平滑的地形（见表1）。
还可以算出某一高度下的平均速度UWM：
其中UWH是高度H处的风速，剪切剖面上出现该速度的高度z由下式给出：
从而可求得，无剪切时的速度是剪切时最大速度（车顶速度）的0.862倍，即是汽车高度的39.5%处的速度。
3.仿真方法
选择分离流不可压半隐式的基于压力的有限体积求解器，所有模拟采用混合二阶迎风/有界中心差分对流求解方案，使用IDDES 湍流模型。二阶时间方案减小了速度的数值耗散；1×10-4s的时间步长确保了LES区域内的库朗数低于1；每个时间步五次内部迭代确保残差的一致收敛。所有CFD模拟均使用CD-Adapco的 Star-CCM+软件v10.04.009版本进行。
在使用DES 方法计算1秒或6个对流单元的稳定周期之前，使用稳态RANS解算器初始化所有模拟。然后模拟运行2秒 (12个对流流动单元)，在此期间对流场进行平均。理想情况下，这种平均间隔应该更长，但本研究中的模拟次数多，且计算资源有限。在英国HPC-Midland设备的320个核心上并行运行三秒大约需要五十八个小时。
4.结果
表 3(a) 和表 3(b) 分别给出了快背式和方背式的力系数结果，并与0°偏航（即无侧风输入）时的数据进行了比较。
在10°偏航角下，有剪切与无剪切除升力系数外的力系数在所有情况下都变化不大，但没有明显的变化趋势，在剪切流中，快背车的阻力和侧向力略有增加，而方背车则相反。图6、7和8分别给出了阻力系数、侧向力系数和升力系数在快背车和方背车上的分布。
阻力分布显示在车身高度上，而侧向力和升力分布显示在车身长度上。将偏航时的阻力和升力数据与零偏航情况进行比较，可以看到阻力虽有很大起伏，但无论是否偏航，分布的趋势保持不变；升力分布也是如此。
在所有情况下，剪切和未剪切交叉流之间的局部载荷差异可忽略不计。由于在均匀流动或剪切流动中侧向力沿X轴分布相似，两种情况下的偏航力矩基本上相同。
5.讨论
5.1平均阻力
气动阻力强烈依赖于偏航角，偏航角受风速大小和方向影响。为了计算平均风阻系数，假设侧风方向相同，速度剖面由公式（1）给出，故相同质量流量时，剪切流速与等效平均流速相等处的高度与总高度的比值为一定值。对于此处研究的剪切流，α=0.16，高度比为0.395，如图5所示。将α增加到0.40，高度比仅增加到0.431。此结果表明，在约40%车辆高度处的速度相当于剪切流的平均速度，此高度大约在0.55至0.75m，一般为0.6m。
5.2阻力分布
图 6(a) 和 6(b) 中的阻力分布表明，偏航时的剪切和非剪切分布基本相同，整体阻力系数也是如此。阻力在车头产生，但会在发动机罩后部和车顶前缘产生局部负压区。图9（a）和图9（b）分别给出了快背式和方背式车身的前端和后端阻力分布。实线为前端阻力，虚线为后端阻力。
比较图9和图6，可以看出，在车身高度上发生的局部阻力变化大部分在前端。相比之下，后部阻力系数分布相对均匀。两种车身的前端阻力曲线形状几乎相同，因为这是一种常见的前端形状，但有趣的是偏航与无偏航情况也相同。这表明，低偏航角时的阻力增加主要是由于后端阻力增加。
5.3升力和侧向力分布
图7所示的升力分布表明，升力在偏航时增加，主要位于发动机罩和车顶后部，尤其是在车顶后缘和后尾门上方，车顶的迎风边缘可能会经历更高的速度。表3显示，升力是受剪切影响最大的气动特性，车辆后轴处升力系数增加超过0.02，当然，这种幅度的变化对驾驶员的影响可以忽略不计。
图8的侧向力分布显示，侧向力主要在车辆前部和挡风玻璃处产生，且不同工况差别不大。
5.4载荷相似性
图10显示了在剪切和均匀侧风两种情况下，快背车某横截面内的横流速度等值线，横流速度等值线位于挡风玻璃顶部，此处局部侧向力和升力均较高。比较图10(a)和图10(b)可以看出车身表面速度分布几乎相同，而远离车身表面的速度分布则有很大不同。车身表面速度分布的相似性导致了表面压力分布的相似性。
对于图11所示的两种情况，在相同的纵向位置（x=2.0m），车身周围都会受到吸力的影响，偏航时在迎风侧略有增加，但车顶基本不变，而背风侧的A柱处产生了非常大的吸力增加。在局部载荷较高的位置，压力分布相似，这也说明了为什么表3中剪切和未剪切工况的旋转力矩几乎相同。
5.5研究局限性和未来工作
所提供的数据似乎表明，当横风中的质量流在车辆高度上相同时，在剪切横风流中的车辆上的力和力矩与均匀流基本相等。然而，这一结论仍然不够严谨，因为只在两种高度相同的车辆上得到了结果，模拟的汽车没有内部冷却气流，车身底部很光滑，且仅在一个偏航角和一个剪切流示例中获得数据。
可以预计更高的SUV类型车辆将显示出与方背式车辆相同的特性，但无法推断其对MPV车型的影响，因为MPV车型具有不同的前部形状。
这项有限的研究表明，对于考虑的两种车辆，剪切的影响很小或几乎没有。未来应研究与汽车相关的任意偏航角度或者某范围内的影响，以及不同剪切流场；还应研究不同车型和更真实的车身形状。
6.结论
通过CFD 模拟比较快背式和方背式DrivAer 模型在受到剪切和均匀侧风时的空气动力学特性。
结果表明，当汽车高度上侧风中的质量流相似时，汽车在两种情况下承受几乎相同的力和力矩，这种空气动力学特性的相似性源于剪切横流在接近车身时变得更加均匀。
文章来源：Howell, J., Forbes, D., Passmore, M., and Page, G., "The Effect of a Sheared Crosswind Flow on Car Aerodynamics," SAE Int.J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 10(1):2017, doi:10.4271/2017-01-1536.
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