某SUV外部后视镜尾流区域气动特性的研究*

陈 鑫,汪 硕,张 武，吴元强，宁厚于，胡翠松，杨昌海

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

2016112

某SUV外部后视镜尾流区域气动特性的研究*

陈 鑫,汪 硕,张 武，吴元强，宁厚于，胡翠松，杨昌海

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

车外后视镜是汽车上的突出钝头体，对整车气动阻力和气动噪声有较大影响。采用风洞试验与SSTk-ω湍流模型仿真相结合的方法，探讨了后视镜尾流区域气动特性。风洞试验结果表明，行驶中车外后视镜尾流区域存在逆压区域并产生回流。仿真结果表明，后视镜尾流区域存在低压区和近似半椭球的低速层，低速层中存在沿两条涡流中心轨迹线流动的反向旋转涡流，并伴有明显的湍流。低压区使后视镜产生局部压差阻力，低速层中的湍流造成前侧窗上的脉动压力，它们对整车气动阻力和气动噪声的影响较大。

车外后视镜；尾流；气动特性；风洞试验；仿真；低压区；低速层

前言

汽车噪声影响人们的工作学习和休息，危害乘员和驾驶员的身体健康。降低气动阻力可提高汽车燃油经济性。汽车外形具有良好的流线型，可使汽车表面气流分离延缓，流动更加平顺，使车身边界层气流分离点所围面积减小。后视镜作为突出于汽车表面的钝头体，在汽车行驶时会使边界层气流分离而产生类似卡门涡的湍流结构，这种结构在尾部顺气流方向移动，并拖出很长的距离，其结构中具有规则的涡系[1-4]。引起后视镜气动噪声的主要原因就是湍流结构中气泡和涡流及其与车窗玻璃和车身覆盖件等的相互作用。整车外后视镜尾流气动特性的研究有着重要意义。对于后视镜附近流场产生气动阻力和气动噪声的机理及影响因素的研究主要集中在两个方面：第一，对平板上后视镜气动特性进行研究[5]；第二，对整车后视镜气动特性进行研究[1,6]。对后视镜的研究主要侧重在对稳态平面流场的研究，而对三维空间的流场特性研究不够充分。本文中通过风洞试验与SSTk-ω湍流模型仿真分析相结合的方法，探讨了后视镜尾流区域的气动特性，并分析了其对整车气动阻力和噪声的影响机理，对汽车造型和车外后视镜的空气动力学设计具有一定的工程指导意义。

1 整车风洞试验结果与分析

本次风洞试验在吉林大学汽车风洞实验室进行。该风洞实验室是低速、回流式风洞实验室，风洞试验的试验段和实车模型如图1所示。

图1 风洞实验室试验段和实车模型

1.1 压力系数监测试验

图2为压力系数监测试验的监测点位置示意图。采用切割的方法，制作一个形状与前侧窗相同，且表面曲率与其保持一致的塑料板，将其放置于前侧窗的位置，确保监测点位置的压力系数与车辆正常行驶时一致。

图2 监测点分布图

压力系数监测试验结果如图3所示。整车模型的11个监测点的压力系数都是负值，前车窗都处于负压区。这是因为前车窗附近区域压力小于标准大气压，该区域相对于较远的位置存在一定的压力差，使该位置对气流有一定的引力，产生湍流结构。此外，监测点1，2和3压力系数明显比其他监测点的压力系数小，气流流动到该位置时需克服压力梯度并产生回流。所以，后视镜后部前侧窗区域会形成剧烈的湍流结构，致使气动噪声和气动阻力升高。

图3 监测点压力系数值

1.2 风洞油流试验

进行风洞油流试验时将前侧窗附近区域贴上胶纸，以避免油流侵入车内，并使试验结果更易于观察。在胶纸上均匀涂上掺入一定指示剂和盐酸的黏稠性油，便于显示整车模型表面的气流流动情况，试验结果如图4所示。

图4 风洞油流试验结果

后视镜尾流区域出现了后视镜典型尾流从而对前侧窗产生影响。在该区域出现了明显的湍流结构，有回流产生，这与压力系数监测试验中得到的结论一致。在其他区域没有明显的回流出现。所以，湍流结构附近的区域的气流较复杂，该区域的气动特性是本次研究的重点。

2 数值模拟参数设置

2.1 建立计算模型

以风洞试验中实车模型为原型，应用逆向工程[7]建立整车几何模型。通过整车几何模型创建三维网格模型。首先确定计算域，本文中计算域的长度尺寸设置为50 000mm，确保流出计算域的气流不会影响到近体尾流；宽度尺寸和高度尺寸分别设置为20 000mm和5 000mm，以满足试验风洞阻塞比的要求；为了保证流动空气的湍流特征得到充分的发展，车前端与气流入口距离为20 000mm。该计算域确保气流完全发展起来，保障计算结果的准确性。图5为整车计算域模型。

图5 整车和计算域模型

将模型导入Hypermesh中进行壳网格划分。后视镜上的壳网格尺寸为2mm，与后视镜相连的前侧窗部位尺寸为2mm，采用渐变式网格，均匀过渡到侧窗边缘的5mm尺寸的网格，保证网格的质量。最终网格渐变至整车的最大网格20mm。计算域最大网格为150mm，同样采取渐变式网格均匀过渡的方式划分计算域网格。将Hypermesh中创建的壳网格模型文件导入T-grid中，以创建所需要的四面体网格[8]。车身表面上的边界层内形成剧烈的湍流，所以需要在车身外表面生成边界层。本文中选择SSTk-ω模型进行仿真，要求第一层边界层要小于实际边界层中黏性底层的厚度，取为0.02mm。根据经验，选择边界层数为14层，边界层增长率为0.12，边界层总厚度为11.2mm。

以整车为基础创建过边界层后，以边界层最外层和计算域为基础，创建体网格。体网格生成规律与面网格相似，采用渐变式增长，增长率为1.2。三维网格计算模型的体网格分布如图6所示。

图6 三维网格计算模型

2.2 整车数值模拟参数设置

本文中应用Fluent软件进行仿真计算，流场中气流为完全发展的自由流动的不可压缩流体，据此，采用的边界条件是压力出口(pressure-outlet)，因车身的后部距离计算域出口较远，故可将出口处的空气视为自由流体，其压力也应与标准大气压相同或者相近，而且采用压力出口边界条件可提高仿真时的收敛速度。表1为边界条件设置。

空间离散格式选择2阶迎风格式，计算方法采用SIMPLE，计算3 500步直至残差曲线收敛。通过 以上的设置可精确地模拟出真实的流场变化。

表1 边界条件设置

2.3 计算模型的选择

在仿真计算模型中，标准k-ω模型能更好地模拟压力梯度下的边界层问题。本文中使用了SSTk-ω方程，它是一种在工程上得到广泛应用的混合模型，在近壁面保留了标准k-ω模型，在远离近壁面的位置应用k-ε模型[9]。若分别以Φ1，Φ2和Φ3表示k-ω模型、k-ε模型和SSTk-ω湍流模型中的函数关系，则SSTk-ω湍流模型可表示为

Φ3=F1Φ1+(1-F1)Φ2

模型中混合函数F1的作用就是完成模型由近壁面的k-ω模型到远离壁面的k-ε模型的过渡，其具体表达式和计算中模型常量取值见文献[10]。

3 数值模拟结果分析

3.1 试验与仿真监测点压力系数对标

图7为试验与仿真各个监测点压力系数值的对比图。由图可见，各监测点的试验与仿真的数值相近且数值沿x轴变化趋势相同，表明仿真方法是正确的。

图7 试验与仿真压力系数对比图

3.2 后视镜区域气动特性分析

后视镜主要影响的区域是后视镜尾部的三维空间。为研究后视镜尾部的气动特性，本文中创建了3个平面，这3个平面两两垂直并分别平行于xy，yz和xz平面，如图8所示。

图9 平面上的静压力云图和流线图

图9为3个平面上的压力云图和流线图。由图可见：后视镜尾部存在1个低压区域，并且平面1和平面3存在2个低压中心，而平面2上存在1个低压中心；后视镜尾部存在1个低速区域，且平面1和平面3上产生2个涡流中心，而平面2上产生1个涡流中心。低压中心和涡流中心的位置基本一致，这是因为低压中心静压力较小，压力差产生的力提供了涡流运动的向心力。所以，在汽车行驶时，后视镜后部出现低压区域和低压中心，导致后视镜尾部出现剧烈的湍流，引起气动噪声的升高。同时，后视镜后方的静压力明显低于后视镜罩面静压力，这使后视镜存在压差阻力，导致气动阻力升高。

图10 3平面上速度矢量分布图

平面1、平面2和平面3上的速度矢量图如图10所示。由图可见，平面1和平面3上的2个涡流是反向旋转[11]。平面1右上方涡流为顺时针旋转，左下方涡流逆时针旋转。平面3上方涡流逆时针旋转，下方涡流顺时针旋转。平面2上的涡流是逆时针旋转。涡流旋转运动时消耗能量，气流流过后视镜外缘后，气流与涡流间的剪切力做功补充了涡流消耗的能量，使涡流旋转维持周期性变化。从而涡流外部的流向与流过后视镜外缘的气流流向一致，这就是平面3上存在两个反向旋转的涡流的原因。流过车身表面的气流一部分通过后视镜与车身之间的间隙流过，且其速度分量存在一个沿z轴负方向的分量，所以平面1右上位置的气流方向为顺时针方向，平面2上的涡流为逆时针方向。平面1上两涡流接触位置的气流为右下方涡流提供能量，所以右下方的涡流为逆时针方向。

为确定后视镜后方涡流存在的区域建立与xy和xz平行的几个平面，如图11所示。

通过图11这些平面上的涡流的尺寸来确定湍流的尺寸。与xy和xz面平行的各个面上的流线图如图12和图13所示。

图11 与xy和xz面平行面示意图

图12 与xy面平行的面上的流线图

图13 与xz面平行的面上的流线图

由图可见，涡流存在的区域大体在y=0.83m与y=1m和z=0.79m与z=0.925m之间。可以认为，在x轴正方向上观察，流场存在的区域约为后视镜轮廓的80%。

通过以上分析可以看出，后视镜尾部存在着复杂的湍流结构，为研究这部分气流的运动规律，截取一些与yz面平行的平面，如图14所示，图15～图18是部分平面上的流线图。

图14 与yz面平行的平面示意图

图15 x=0.9m平面上的流线

图16 x=1.1m平面上的流线

图17 x=1.3m平面上的流线

图18 x=1.5m平面上的流线

由图15可见：靠近后视镜后部的区域的平面上气流速度较低的区域构成了1个近似于椭圆形的低速层，低速层上存在2个涡流中心，平面上的涡流以这2个涡流中心为中心反向旋转。低速中心随着气流前进，在x=1.1m平面上汇聚成1个涡流中心(图16)，随着气流的继续运动，可以看到在x=1.3m平面上涡流中心又发散为2个(图17)。流过后视镜的气流围绕低速中心的轨迹螺旋状前进，在x=1.5m平面上可以看出2条涡流中心线相距越来越远(图18)。

根据图15～图18的流场分析，对流场分析的总结如图19和图20所示。图19中的低速层是图15中的低速圈在三维层面的表示。低速层上的涡流中心形成了2条涡流中心轨迹线，并且汇合成了在x=1.1m平面上的一点。图20示意了2个涡流中心轨迹线和围绕轨迹线螺旋状前进的气流。流过后视镜的气流围绕涡流中心轨迹线1和涡流中心轨迹线2螺旋状前进。

图19 低速层与涡流中心运动轨迹图

图20 涡流轨迹中心线与流场示意图

图19和图20详细描述了低速层附近和低速层外部的流场，与图9对应，后视镜后部产生回流，即低速层内部存在复杂的回流。图21为流过x=0.9m平面的流场示意图。

图21 流过x=0.9m平面的流线图

由图可见，在后视镜与x=0.9m平面之间形成了2个沿着后视镜长度方向的涡流。这2个反向旋转涡流沿着后视镜长度方向运动至远离车窗的后视镜外缘区域，并在该区域与流过后视镜外缘的气流混合，随后流至后视镜后方。后视镜尾部区域中2个反向旋转的涡流与平面3所示的低压中心和涡流中心轨迹线的方向相对应。

4 结论

(1) 压力系数监测试验显示侧窗监测点的压力系数都是负值，气流流动到后视镜尾部区域时需克服压力梯度并产生回流。风洞油流试验显示气流在后视镜分离后在侧窗区域再附着。仿真与试验数据较好的一致性验证了SSTk-ω湍流模型仿真方法的有效性。

(2) 行驶中车外后视镜尾流区域流场中形成了低压区和呈现近似半椭球形的低速层，低速层中存在沿2条涡流中心轨迹线流动的反向旋转涡流，并伴有剧烈的湍流。

(3) 后视镜后方静压力明显低于后视镜罩面静压力，产生了压差阻力。低速层中剧烈的湍流周期性作用于前侧窗，造成了较高的脉动压力。低压区和低速层的存在对整车气动阻力和气动噪声有较大影响。

(4) 进一步的研究考虑在后视镜上运用仿生减阻降噪结构或后视镜仿生造型设计，使流经后视镜区域的空气快速排出，涡流发生区域下移，从而降低汽车高速行驶时的气动阻力与噪声。

[1] HENDRIANA D, SOVANI S D, SCHIEMANN M. On simulating passenger car side window buffeting[C]. SAE Paper 2003-01-1316.

[2] AN C F, ALAIE S M, SOVANI S D, et al. Side window buffeting characteristics of an SUV[C]. SAE Paper 2005-01-0230.

[3] AN C F, et al. Attempts for reduction of rear window buffeting using CFD[C]. SAE Paper 2005-01-0603.

[4] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,2006:52-59.

[5] KHALIGHI B, SNEGIREV A, SHINDER J, et al. Simulations of flow and noise generated by automobile outside rear-view mirrors[J]. International Journal of Aeroacoustics,2012,11(1):137-156.

[6] 陈继福,邓代玉,赵福全,等.外后视镜造型与结构对气动噪声的影响[J].农业装备与车辆工程,2013,51(1):59-52.

[7] JONAS A, LARS D. Flow and dipole source evaluation of a generic SUV[J]. Journal of Fluids Engineering,2011,132(5).

[8] 杨博,傅立敏.轿车外流场网格生成策略及数值模拟[J].农业机械学报,2007,38(4):8-11.

[9] 梁建永,梁军,范士杰,等.轿车外流场CFD分析中常用k-ε湍流模型的对比[J].汽车工程,2008,30(10):846-852.

[10] 吴军,谷正气.SST湍流模型在汽车绕流仿真中的应用[J].汽车工程,2003,25(4).

[11] 刘力,陈鑫.车外后视镜基座造型的流场分析[J].汽车工程学报,2011,1(1):27-34.

A Research on the Aerodynamic Characteristics in the WakeFlow Area of Exterior Rear-view Mirrors in a SUV

Chen Xin, Wang Shuo, Zhang Wu, Wu Yuanqiang, Ning Houyu, Hu Cuisong & Yang Changhai

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomobileSimulationandControl,Changchun130025

Exterior rear-view mirror is a protruding blunt object of vehicle, which has a greater effect on the aerodynamic drag and noise of vehicle. A method combining wind tunnel test and SST k-ω turbulence model simulation is used to explore the aerodynamic characteristics of the wake flow of rear-view mirror. The results of wind tunnel tests show that there are an adverse pressure region and a back flow in the wake flow area of rear-view mirror. And the results of simulation indicate that in the wake flow area of rear-view mirror, there are a low-pressure region and a half-ellipsoid-like low-velocity layer, in which there exist two counter-rotating vortices flowing along two vortex center trajectories and accompanied by apparent turbulences. Low-pressure region makes rear-view mirror produce local pressure drag, and the turbulences in low-velocity layer cause the fluctuating pressure on front side windows, they all have greater effects on the aerodynamic drag and noise of vehicle.

exterior rear-view mirror; wake flow; aerodynamic characteristics; wind tunnel test; simulation; low-pressure region; low-velocity layer

*国家自然科学基金(51175214)资助。

原稿收到日期为2015年10月23日，修改稿收到日期为2015年12月29日。