敞篷车与硬顶车流场特性的CFD对比研究*

王 东,章辰益,李理光

(同济大学汽车学院,上海 201804)



2015014

敞篷车与硬顶车流场特性的CFD对比研究*

王 东,章辰益,李理光

(同济大学汽车学院,上海 201804)

采用经过有效性验证的计算流体力学方法，对某敞篷车及其硬顶变型车进行流场数值模拟。计及前端进气、内流场和地面效应的影响，得到了敞篷车与硬顶车的外流场。通过敞篷车与硬顶车流场特性的对比分析认为，敞篷车较大风阻的产生机理主要在于座舱区域的低压分离气泡和回流涡旋不受控制地向车尾拖曳。通过适当改变敞篷车前风窗和车背造型，有效控制分离气泡和座舱回流，使风阻降低了16%。文中对风阻产生机理的分析，为敞篷车造型设计与气动性能优化提供了重要的依据。

敞篷车；CFD；流场特性

前言

汽车在高速行驶时的空气阻力在所受到的所有阻力中占据大部分，通过降低汽车空气阻力的方法来提高燃油经济性比其他汽车节油技术成本更低，因此在过去的几十年里，汽车空气动力学研究在整车开发过程中一直处于十分重要的地位。

国内外研究人员在优化汽车造型、降低风阻方面做了大量的计算机仿真和实验工作，并发现对于普通三厢轿车，合适的A柱造型和前后风窗角度设计能较大程度地降低汽车风阻[1-3]。此外，在汽车尾部造型对气动性能影响方面，也有不少研究成果[1,4-6]。敞篷轿车由于其敞开式的车顶，使车内所有内饰件和乘客均暴露在外部流场中，因此其流场结构比封闭式车顶的乘用车复杂得多。在敞篷车的空气动力学研究方面，文献[7]中对某敞篷车进行了空气动力学实验，并提出了可能的优化改进方向；文献[8]中着重比较了敞篷车和两厢车不同侧窗开闭情况下的驾驶室流场，提出了在前风窗后缘加装扰流板的优化方案。

目前针对敞篷车的相关研究较少，而对燃料电池驱动的敞篷车空气动力学研究更属于空白，本文中在考虑前端进气、内流场、底盘结构和地面效应影响的情况下，对某燃料电池敞篷车和硬顶车的流场进行仿真，对比其流场特性，进行一系列造型优化数值模拟探究，分析验证敞篷车产生较大风阻的机理，为优化其空气动力性能提供重要依据。

1 敞篷车与硬顶车的几何模型

图1为敞篷车与硬顶车的全尺寸几何模型示意图，两车的总体尺寸一致，长4.23m，宽1.7m，高1.245m，在造型上除了车顶结构不同外，其余部件均相同。为能真实地模拟敞篷车行驶时车内外流场的相互影响，在敞篷车的仿真模型中保留了所有内饰部件几何特征，并添加了两个人体模型。

在内部构造方面，两车采用相同的燃料电池驱动的动力总成。燃料电池车与传统内燃机汽车相比，在散热方面需要更多的内部冷却气流用来为电池、电机和控制器等动力总成部件散热[9]，因此内流场对风阻的影响不可忽略，在两车的仿真模型中保留了前动力舱内零件几何细节，如图2(a)所示。此外，两车前轮为轮毂电机驱动，后轮为轮边电机驱动；两车前悬为双横臂式悬架，后悬为单纵臂式悬架。考虑汽车底盘对整车外流场的影响，在其仿真模型中保留了底盘部件的几何细节，如图2(b)所示。

2 仿真环境设置与可靠性验证

2.1 计算域尺寸选取与网格划分

为了使整车周围的涡结构在计算域中充分地发展[10]，整车模型被放置在一个长为12L、宽7W、高5H的计算域中(L、W、H分别为整车的长、宽、高)，车头距离计算域气流入口3L，如图3所示。

采用边长尺寸2～30mm的三角形面网格对模型和计算域表面进行网格划分，如图4所示；在轿车外表面以yplus值介于30～300之间的标准生成三棱柱边界层网格；空间采用四面体非结构网格进行空间离散，并在车身周围流场结构复杂区域进行局部网格加密，网格数量约1 900万。

2.2 求解器和边界条件设置

通过求解稳态不可压缩条件下的Navier-Stokes方程得到压力场和速度场，环境温度为20℃，车速为110km/h，取车长为特征尺寸，雷诺数约为7.18×106，湍流模型及边界条件设置如表1所示。

表1 湍流模型及其边界条件设置

2.3 仿真方法的可靠性验证

MIRA(米拉)标准车模造型接近实际轿车，且在国内外不同比例的风洞试验中积累了大量的实验数据[11]，已有不少数值模拟验证结果[12-13]，因此采用1∶1的MIRA模型来验证仿真环境设置的可靠性。网格离散方法、湍流模型和近壁面处理设置与2.1节和2.2节所述一致，通过调整模拟风速，设置雷诺数为4.0×106，所得Cd值为0.31，与文献[11]中德国斯图加特内燃机与汽车工程研究所的风洞在相同雷诺数下实验得到的Cd值吻合；仿真所得的MIRA标准车模流场对称中截面速度云图如图5所示，其尾流结构与文献[12]和文献[13]中的数值模拟结果和粒子图像测速实验结果吻合，从而验证了本文中所采用的CFD方法的可靠性。

3 敞篷车与硬顶车外流场分析对比

采用上述的仿真模型对敞篷车与硬顶车进行流场数值模拟，得到敞篷车风阻系数比硬顶车风阻系数大37%，从宏观角度对比两车纵对称面上的压力分布，如图6所示。两车从发动机罩至前风窗附近区域的气流静压梯度分布基本一致；不同的是两车座舱区域的压力分布，敞篷车敞开式的驾驶室区域内均为负压区，且向车尾方向延伸，硬顶车相同位置的负压区仅局限于车顶上方的小范围内。

从气流分离点角度分析，图7显示了敞篷车与硬顶车计算域对称中面上的速度云图和流线图。敞篷车的气流分离点在前风窗后缘处，前风窗上表面气流由于几何表面突然间断，无法继续向下游平顺流动，而下表面气流速度较低，因此前风窗后缘处气流速度梯度陡增，形成剪切流并向后继续发展，由流线分布可发现剪切层内部涡系复杂，形成湍流区；硬顶车光滑连续的车顶能够很好地引导上方气流，使气流贴近车顶表面平顺流动，将气流分离点推迟到车尾后缘。

从气流分离区的大小和气流回流情况分析，敞篷车与硬顶车相比，由于前风窗绕流作用，气流在座舱区域第1次分离产生低压分离气泡，内部形成一对低压回流涡旋，并向车尾拖曳，延伸至车背上方，在车尾后缘脱离车身表面产生二次分离，增大了形状阻力；流经硬顶车表面的气流较为平顺，直到车尾后缘才产生第1次分离，风阻较小，如图8所示。

经过对比分析可得如下结论，造成敞篷车较大风阻的主要原因在于：前风窗后缘过早产生的气流分离点；座舱区域的低压回流向车尾拖曳发展所导致的额外压差阻力。硬顶车比敞篷车具有更好的气动造型，因此基于硬顶车的造型来设计优化方案。通过更改前风窗造型来推迟气流分离点的出现，并通过提高车背曲面控制气流分离气泡的大小，有效阻止座舱区域的回流涡旋向车尾拖曳发展来达到敞篷车气动减阻的目的。

4 敞篷车外形优化与流场分析

4.1 前风窗造型修改方案

根据敞篷车与硬顶车外流场特性对比分析的结论和减阻措施的推测，以图7中敞篷车与硬顶车在纵对称面上流经前风窗的流线路径为参考，综合考虑人机工程和玻璃曲率对强度的影响，来改变前风窗造型。在人机工程方面，文献[14]中对前风窗玻璃光学扭曲现象做了详尽的研究，并根据不同驾驶员视线逗留频率将前风窗划分成不同区域，得出结论：前风窗玻璃中央偏左区域为驾驶员视线逗留最频繁区域(图9(a)中的A区域)，玻璃曲率大小对视觉影响较大；靠近A柱顶端和风窗上缘区域为视线逗留最少区域(图9(a)中的B区域)，玻璃曲率对驾驶员视觉影响很小。

因此对原始造型W0前风窗A区域上方和B区域内的凹凸曲面造型进行光顺处理，并使A柱顶端和风窗玻璃后缘向车尾方向平缓延伸。为使前风窗起到更好的导流效果，推迟气流分离点，并将剪切流向后引导至车背上缘，将前风窗后缘沿着流线方向向后延伸100mm，得到更改后的前风窗造型W1，如图10所示。

对W0和W1前风窗玻璃曲面进行曲率分析，如图11所示，修改后的W1方案曲面曲率变化范围在原始方案W0的变化范围之内，满足人机工程中的视觉要求。

考虑玻璃曲率对强度的影响，采用有限元分析对W0和W1前风窗施加相同的风载荷进行强度校核，结果如图12所示，由于修改后的W1方案曲面曲率变化比W0更平缓，因此强度比W0有所提高，从而证明W1风窗玻璃造型方案满足强度要求。

4.2 车背造型修改方案

图13为敞篷车车背造型的原始方案H0，参考图7(a)中流经敞篷车驾驶室区域的剪切流流线高度，并基于硬顶车的掀背造型以及图7(b)中流经硬顶车车尾上方的流线路径，改变敞篷车车背曲面的高度和曲面形状，得到两个车背造型的优化方案：拉升敞篷车背部曲面，使其高度与驾驶员和座椅高度一致，保留中间凹陷造型，得到H1车背造型方案，如图14所示。同样提高车背，使车背曲面高度高于驾驶员和座椅，并填充原始车背中间的凹陷造型，得到H2车背造型方案，如图15所示。

4.3 优化结果分析与流场对比

采用上述仿真模型，整车迎风面积保持不变，对不同前风窗与不同车背方案排列组合得到的敞篷车进行流场数值模拟，得到相应的结果，如表2和图16所示。表2中列出了风阻系数变化量。由表可见，W1 H2组合的减阻效果最佳，与原始造型方案相比，风阻系数约降低了16%。

表2 不同前风窗与车背造型修改方案下敞篷车的Cd值变化量

图16示出了对称中截面气流速度云图和流线分布的对比。由图可见，W1风窗与H2车背组合方案有效地阻止了座舱回流涡旋向后拖曳发展，与敞篷车原始造型的流场相比，分离气泡显著减小，因此减阻效果最为显著。

最后，对原始造型敞篷车与造型优化后的敞篷车尾流结构进行对比。在车尾后方沿纵向每隔1.5m截取一个横截面做出速度云图和尾迹流线，如图17所示。两车尾部在近地面区域存在一对相同涡旋，主要由于车底部气流与车身两侧气流在尾部汇合卷吸形成；在原始造型敞篷车的尾迹截面图中还存在一对较小涡旋，主要是由座舱的分离气泡向后拖曳发展而来，在优化后的尾流中这对涡旋消失，说明H2车背造型有效地阻断了座舱回流继续向车尾发展，证明了通过推迟气流分离点和减小座舱区域气流分离气泡的方法来减小敞篷车气动阻力的有效性。

5 结论

(1) 计及前动力舱内流、底盘结构和地面效应影响，经过可靠性验证的CFD仿真方法，得到了某敞篷车和硬顶车的风阻系数与流场。

(2) 通过对敞篷车与硬顶车的流场对比分析，发现敞篷车高风阻的产生机理：前风窗后缘处的气流分离点产生过早，与硬顶车相比有两次明显的气流分离现象，敞篷车总体气流分离区较大；座舱区域的低压分离气泡不受控制地向车尾拖曳发展，造成前后压差增大，产生额外风阻。

(3) 修改前风窗造型对Cd值影响显著，在考虑人机工程的前提下，增大接近前风窗后缘处表面曲率能有效降低敞篷车风阻，其减阻机理在于推迟了气流的分离点，并引导气流平顺地越过座舱区域，过渡到车背曲面，有效缩小座舱区域气流分离气泡，控制座舱回流向车背拖曳发展，减小了气流分离区。

(4) 修改车背造型能对敞篷车减阻起到辅助作用，使前风窗的减阻效果更显著；且提升车背高度，直至有效控制座舱回流向后拖曳发展，能有效降低敞篷车风阻。

[1] Zhang Yingchao, Ding Wei, Zhang Yu. Aerodynamic Shape Optimization Based on the MIRA Reference Car Model[C]. SAE Paper 2014-01-0603.

[2] Palin R, Johnston V, Johnson S, et al. The Aerodynamic Development of the Tesla Model S-Part 1: Overview[C]. SAE Paper 2012-01-0177.

[3] Alam F, Watkins S, Zimmer G, et al. Effects of Vehicle A-pillar Shape on Local Mean and Time-Varying Flow Properties[C]. SAE Paper 2001-01-1086.

[4] 叶辉.轿车尾部上翘角与离地间隙的CFD研究[D].长春:吉林大学,2006.

[5] 王靖宇,胡兴军,傅立敏.底部上翘角对轻型客车气动特性影响的数值模拟[J].重庆工学院学报(自然科学报),2008,22(9):6-9.

[6] 王靖宇,胡兴军,李庆臣,等.面包车尾部造型对其气动特性的影响[J].吉林大学学报(工学版),2011,41(3):618-622.

[7] Cogotti A. Experimental Techniques for the Aerodynamic Development of Convertible Cars[C]. SAE Paper 920347.

[8] Felix Regin A, Manoraj Manimanoharan, Akepati Bhaskar Reddy, et al. Aerodynamic Analysis of Cabriolet Passenger Car: A Design Approach[C]. SAE Paper 2013-01-0037.

[9] Martin David L. Adaptation of Traditional Cooling Airflow Management to Advanced Technology Vehicles[C]. SAE Paper 2002-01-1968.

[10] Shetty Sandeep N, Patil Vivek. Recent Advances in External Aerodynamics Simulation of a Hatchback Production Car[C]. SAE Paper 2013-01-2906.

[11] SAE J2071. Aerodynamic Testing of Road Vehicles-Open Throat Wind Tunnel Adjustment[S]. SAE International,1994.

[12] 董立伟,谷正气,刘长水,等.网格划分对汽车外流场数值计算影响的研究[J].汽车科技,2012(1):12-15.

[13] 朱晖,杨志刚.小尺寸缩比模型车风洞试验及数值验证[J].同济大学学报(自然科学版),2013,41(10):1560-1566.

[14] Minoru Makiguchi, Tomoaki Shida, Seiichi Sugiura, et al. A Human Factors Analysis of Optical Distortion for Automotive Windshields[C]. SAE Paper 940390.

A CFD-based Comparative Study on the Flow Field Characteristicsof a Cabriolet and its Hardtop Variant

Wang Dong, Zhang Chenyi & Li Liguang

SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

A numerical simulation on the flow fields of a cabriolet and its hardtop variant is conducted with CFD technique, being verified for its effectiveness. With consideration of the influences of front end intake flow, internal flow field and ground effect, the exterior flow field of two car variants are obtained. It is held by the comparative analysis on their flow field characteristics that the mechanism causing the higher aero drag of cabriolet is mainly the uncontrolled trailing of the low-pressure separated bubbles and flow-back vortex in compartment area toward rear end. The proper styling change of windshield and rear end results in the effective control of separated bubbles and flow-back vortex, and hence a 16% reduction of aero drag. The analysis on the mechanism of cabriolet’s aero drag in this paper provides an important basis for the styling and aerodynamic performance optimization of cabriolet.

cabriolet; CFD; aerodynamic characteristics

*国家863计划项目(2011AA11A290)资助。

原稿收到日期为2014年6月16日，修改稿收到日期为2014年9月24日。