强降雨条件下车辆空气动力学特性分析

殷硕 于梦阁 陈焕明 王亚伦

摘要：  为研究强降雨环境下的汽车空气动力学特性问题，本文以标准MIRA阶梯背汽车模型为研究对象，建立汽车外流场空气动力学数值计算模型。同时，利用ANSYS Fluent软件，研究在不同降雨强度、不同偏航角对车身气动力、速度特性、压力特性的影响，并追踪了离散相雨滴的运动轨迹及其与车身的接触，分析了车身表面附近区域雨滴质量浓度分布和变化。研究结果表明，在无降雨环境下，随着车速的增加，车身表面正压区和负压区覆盖范围均明显增大，部分雨滴在车身表面发生明显的反弹现象，车速对气动阻力影响较大，而对气动阻力系数没有实质性影响;相同车速条件下，降雨强度越大，气动阻力（系数）增幅越大，并且与降雨强度近似呈线性关系;在一定降雨强度下，随着偏航角的增大，整车气动阻力（系数）和气动侧力（系数）相比无雨时增大，左侧面表面压力逐渐增大，汽车后侧窗边缘区域压力减小，车顶高流速区域覆盖范围增大，并向车身右侧延伸，车身右侧低流速区域覆盖范围变大;降雨使得汽车左侧迎侧风区域的表面压力增大，尾箱盖区域的压力分布发生改变，验证了该模型的准确性。该研究为强降雨环境下汽车气动研究和应用提供了参考。

关键词：  数值计算; 车辆气动特性; 车速; 降雨强度; 偏航角

中图分类号： U461.1  文献标识码： A

收稿日期： 20210508; 修回日期： 20210620

基金项目： 山东省高等学校科技计划资助项目（J18KA048）

作者简介：  殷硕（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆空气动力学。

通信作者：  于梦阁（1985），女，博士，副教授，主要研究方向为车辆空气动力学和系统动力学。Email： yumengge0627@163.com

汽车空气动力学分析与汽车的安全性、动力性、燃油经济性以及美观性关系密切，行驶过程中汽车所处的外部环境较为复杂，在强风雨条件下，汽车气动性及燃油经济性变差，对汽车行驶安全造成影响。世界卫生组织指出每年道路交通安全事故造成约上百万人意外死亡[1]，中国道路交通事故统计年报统计数据显示，一部分交通事故与降雨等恶劣环境有关[23]，因此风雨环境下的道路交通安全问题应加以重视。国内外学者对降雨条件下汽车空气动力学领域进行了相关研究。李长城等人[4]分析了降雨强度大小对平均车速以及车速概率学分布规律的影响，并采用非线性回归方法建立降雨条件下的车速预测模型，获得了较高的拟合度;冯伟等人[5]采用数值模拟的方法研究了轿车在降雨、侧风等环境下的流场特性，结果表明降雨使阻力和纵倾力矩增加，升力和横摆力矩增加，可能会影响轿车行驶安全;王保成[6]研究了降水对高速公路车辆的影响因素;马筱栎[7]利用HLM模型分析了降水对山区高速公路不同路段的影响，发现平曲线半径增大会对该路段运行车速起到积极作用，而坡度增大会对运行车速产生消极影响。另外在车辆空气动力学其他相关领域也有相关研究成果。唐文渊[8]利用ANSYS Fluent对车身外部造型进行了分析，并依据汽车外流场性质，对汽车外形进行了优化;刘旺等人[9]利用STARCCM+研究了尾翼对汽车空气动力学性能的影响，结果显示，加装尾翼可显著提高车辆的空气动力学性能;王毅刚等人[10]进行了实车风洞实验，研究了汽车外流场特性和噪声分布特性;方刚等人[11]推导出了基于椭圆形方程的车辆外流场网格计算生成方法，为车辆流场分析提供了重要参考。以上研究对降雨环境下车辆外流场涉及较少，尤其是短期内大降雨强度情况、偏航角及强风雨等作用于汽车具体机理的相关研究。基于此，本文建立汽车外流场数值计算模型，利用ANSYS Fluent软件，分析了不同降雨强度和不同偏航角对车身气动力、速度特性、压力特性的影响，追踪了离散相雨滴的运动轨迹及其与车身的接触，分析了车身表面附近区域雨滴质量浓度的分布和变化。该研究为强降雨环境下的汽车气动分析提供了理论依据。

1 控制方程

1.1 连续相模型

在实际工程应用中，基于雷诺方程的湍流模型广泛应用，汽车外流场马赫数较低，其流动为定常不可压缩流动，因此应用雷诺时均NavierStokes方程对流场进行求解，其控制方程如下[12]：

连续性方程为

Uixi=0（1）

动量方程为

xiUiUj=-1ρPxi+v2Uixjxj-xiu′iu′j（2）

式中，Ui为i方向流体运动速度;Uj为j方向流体运动速度;xi为i方向的坐标，xj为j方向的坐标，i，j=1，2，3，表示坐标分量[12];ρ为空气密度;v为粘性系数;P为压强;-u′iu′j为雷诺应力。

风雨环境下汽车外部流场的气液两相流动属于湍流，本文湍流模型选用SST kω模型，该模型作为一种双方程模型，在近壁面区域，采用kω模型对流场进行求解;在远壁面区域，采用kε模型对流场进行求解[13]，而SST kω模型结合二者优势，取长补短，具有适应性强、计算精度高、计算效率高等优点[14]，在实际工程中的应用越来越广泛。SST kω湍流模型控制方程为[15]

kt+uikxi=1ρpk-βkω+1ρxiμi+σkμikxi（3）

ωt+uiωxi=1ρp∞-βω2+1ρxiμi+σ∞μiωxi+21-G1σ∞21ωkxiωxi（4）

式中，k为湍动能;t为时间;ui为流动速度;xi为x轴方向速度分量;ρ为空气密度;pk为生成项;ω为比耗散率;β为封闭系数;μi为湍流粘度;σk为常数项;G1为混合函数;p∞为无穷远处空气压强;σ∞和σ∞2为常数项[15]。

1.2 离散相模型

降雨环境下，雨滴在空气中所占比例较小，属于离散相，因此利用可形变部件模型（discrete phase model，DPM）進行数值计算。DPM模型的力平衡方程为[16]

dupdt=FDu-up+gxρp-ρρp（5）

式中，u为连续相空气速度;up为离散相雨滴速度;ρp为离散相雨滴密度;gx为x方向重力加速度分量;FDu-up为单位质量雨滴阻力[16]。气动阻力为[16]

FD=3CDu-up4dp（6）

式中，dp为雨滴直径;CD为空气阻力系数[16]。

雨滴粒径为[17]

D=AIpn-1n1n（7）

式中，常数A=1.3;I为降雨强度常数，p=0.232;常数n=2.25[17]。

雨滴末速度为[18]

V=9.581-exp-D1.771.147（8）

2 数值计算模型

2.1 几何模型及计算区域

几何模型选用标准阶梯背式MIRA汽车模型，该模型在汽车外流场分析领域得到广泛应用，其几何模型尺寸如图1所示。模型车长L为4.165 m，车宽W为1.625 m，车高H为1.421 m，正面迎风面积为1.858 m2，侧面迎风面积为3.827 m2。流场的计算区域如图2所示。计算域长度为15 L（15倍车长），宽度为10 W（10倍车宽），高度为6 H（6倍车高），在车顶上方2 m处设置降雨平面，经验证该高度对连续相空气和离散相降雨均无干扰，在无偏航角工况下，降雨平面尺寸为30 m×10 m，在有偏航角工况下，降雨平面左侧宽度有所增加，尺寸为30 m×13 m。

设在连续相空气边界条件，在无偏航角工况下，车身为壁面边界，前端面为速度入口，后端面为压力出口，底面为壁面边界，左右两侧面均为对称边界，顶面为对称边界;有偏航角工况下，前端面和左侧面为速度入口，后端面和右侧面为压力出口，顶面为对称边界。离散相降雨的边界条件车身设为wallfilm边界，应用stantonrutland碰撞飞溅模型，速度入口和压力出口均设为escape逃逸边界，底面设置为trap捕集边界。

2.2 网格划分及验证

对计算域进行六面体网格划分，计算网格划分如图3所示。对于无偏航角工况，计算域体网格尺寸设置为256 mm，并设置4个体网格加密区域，其网格尺寸由外到内分别为128，64，32，16 mm，车身模型主体面网格尺寸设置为16 mm，轮胎面网格尺寸设置为8 mm，在车身外表面划分20层边界层网格，并且近壁面第1层边界层网格满足y+<1，网格数为1 287万。在有偏航角工况下，体网格加密区域宽度增加，其余网格参数与无偏航工况网格一致，网格数为1 420万。

由于车速在60～100 km/h范围内处于雷诺数自模区，即雷诺数只与车身外形有关，且不随车速变化而变化，因此以80 km/h工况下的流场流动情况为代表。在车速为80 km/h且无偏航角的条件下，流场稳定后，测得的整车阻力系数为0.304，参考同济大学TJ2风洞实验数据为0.296[19]，相对误差为2.70%，参考斯图加特大学IVK风洞实验数据为0.305[20]，相对误差为0.33%，满足工程应用要求。在车速为80 km/h且不同偏航角工况下，将数值模拟结果与同济大学TJ2风洞实验数据进行对比[19]，气动力系数对比如图4所示。由图4可以看出，阻力系数和侧力系数均符合工程应用要求。

3 数值计算结果及分析

3.1 汽车气动特性分析

无降雨环境下，行驶的汽车车身表面压力分布和外流场速度分布如图5所示。由图5可以看出，车头、引擎盖尾端和前挡风玻璃下端区域为正压区，车身表面压力较大，车速为60 km/h时，压力值不小于100 Pa，车头边缘和前后挡风玻璃边缘区域为负压区，车身表面压力较小，压力值在-300 Pa左右，车顶和侧玻璃区域整体为负压区;随着车速增加，正压区和负压区覆盖范围均增大，车顶和侧面玻璃区域压力略减小，车头边缘、车顶和车底附近空气流速较高。车速为100 km/h时，流速超过30 m/s，车头前端和车尾附近空气流速较低;随着车速增加，高流速区域空气流速增大，覆盖范围变大，低流速区域变化不明显。

降雨环境下，有、无偏航角工况下雨滴路径变化如图6所示。由图6可以看出，降雨可以覆盖整个车身，雨滴路径分布较均匀，说明计算域和降雨平面的取值合理;雨滴在重力和风场的共同作用下运动，雨滴下落与车身外表面接触，部分雨滴附着在车身表面，并在风场和重力作用下流动发生明显的反弹，其中车头、引擎盖、前挡风玻璃、车身左侧等迎风区域反弹现象较明显，反弹的雨滴在风场的作用下继续运动。

3.2 强降雨对气动特性的影响

为研究强降雨对汽车空气动力学特性的影响，在车速为60，80，100 km/h，降雨强度为100，300，500 mm/h工况下，进行汽车多相流数值计算，不同降雨强度下的气动参数变化曲线如图7所示。由图7可以看出，相同降雨强度下，随着车速的提高，汽车气动阻力逐渐增加，最大达180%，而气动阻力系数基本维持在同一水平，说明车速对气动阻力影响较大，而对气动阻力系数没有实质性影响;车速相同的情况下，随着降雨强度的增大，汽车气动阻力和气动阻力系数相对无降雨工况增加，但增加幅度相对较小，在60，80，100 km/h车速下，气动阻力系数分别增加0.894%～1.987%，0.526%～1.500%，0.525%～1.535%，说明降雨强度越大，气动阻力系数增幅越大，且气动阻力系数与降雨强度近似呈线性关系。

车身表面压力是与汽车设计相关的重要参数。当车速为60 km/h，降雨强度分别为0，100，300，500 mm/h工况下，不同降雨强度对车身表面压力分布的影响如图8所示。由图8可以看出，随着降雨强度的增加，车顶和尾箱盖区域压力增大，负压区域面积减少，由于车头、引擎盖、前挡风玻璃区域为迎风面，其壓力受风场影响较大，故降雨对该区域表面压力的影响不明显。

为了直观呈现雨滴在车身附近的分布和运动情况，在车速为60 km/h，降雨强度分别为100，300，500 mm/h的条件下，不同降雨强度下车身表面附近流场雨滴质量浓度分布如图9所示。由图9可以看出，当降雨强度为100 mm/h时，前挡风玻璃区域液相分布较明显，雨滴质量浓度约为0.16 kg/m3，其余空间内的雨滴质量浓度相对较小;当降雨强度达到300 mm/h时，车头、引擎盖区域开始出现较明显的液相分布，前挡风玻璃、车顶、尾箱盖区域出现液滴飞溅现象;当降雨强度为500 mm/h时，液相分布更加明显。随着降雨强度的增加，汽车车身附近区域的雨滴质量浓度增大，最大雨滴质量浓度出现在前挡风玻璃附近区域。

3.3 偏航角对气动特性的影响

为研究偏航角对汽车空气动力学特性的影响，对车速为80 km/h，降雨强度为100 mm/h，偏航角为3°，9°，15°工况下的汽车空气动力学数值进行计算，不同偏航角下汽车气动参数变化曲线如图10所示。由图10可以看出，随着偏航角的增大，气动阻力系数和气动侧力系数随之增大;在降雨强度为100 mm/h下，整车气动阻力系数和气动侧力系数在3°，9°，15°偏航角工况下与无降雨时相比，增加幅度分别为2.57%，2.37%，1.70%，4.19%，3.65%和1.42%。研究结果表明，在无降雨条件下，小偏航角工况气动力系数的基值较小，从而其数值增加幅度相对较大。

当车速为80 km/h，降雨强度为100 mm/h，不同偏航角下车身压力分布侧视图和流场速度分布正视图如图11所示。由图11可以看出，随着偏航角增大，车身左侧所受侧风增大，左侧面表面压力逐渐增大，汽车后侧窗边缘区域气体流速增大，该区域表面压力减小;随着偏航角增大，汽车左侧所受侧风增大，车顶高流速区域覆盖范围增大，并向车身右侧延伸，车身右侧低流速区域覆盖范围变大。

当车速为80 km/h，偏航角为15°时，有无降雨工况下车身表面压力分布云图如图12所示。由图12可以看出，降雨使汽车左侧迎侧风区域的表面压力增大，尾箱盖区域的压力分布发生改变，其余区域压力变化较不明显。

4 结束语

本文采用ANSYS Fluent软件，分析了MIRA阶梯背汽车在不同降雨强度、不同偏航角下对车身气动力、速度特性、压力特性的影响，研究了车身表面附近区域雨滴质量浓度分布和变化。研究结果表明，在无降雨环境下，车头、引擎盖尾端和前挡风玻璃下端区域为正压区，车头边缘和前后挡风玻璃边缘区域为负压区;随着车速的增加，车身表面正压区和负压区覆盖范围均明显增大;车头边缘、车顶和车底附近空气流速较高，车头前端和车尾附近空气流速较低;随着车速增加，高流速区域空气流速增大，覆盖范围变大。相同降雨强度条件下，随着车速的增加，汽车气动阻力逐渐增加;车速对气动阻力影响较大，而对气动阻力系数没有实质性影响;相同车速条件下，随着降雨强度的增加，汽车气动阻力和气动阻力系数相对无降雨工况增加，降雨强度越大，气动阻力（系数）增幅越大，且气动阻力（系数）与降雨强度近似呈线性关系;随着降雨强度的增加，汽车车身附近区域的雨滴浓度增大，最大雨滴质量浓度出现在前挡风玻璃附近区域。随着偏航角的增大，气动阻力（系数）和气动侧力（系数）随之增大，左侧车身表面压力逐渐增大，车顶高流速区域覆盖范围增大，并向车身右侧延伸，车身右侧低流速区域覆盖范围变大;降雨使车身左侧迎侧风区域的表面压力增大，尾箱盖区域的压力分布发生改变。该研究为汽车动力学设计和整车研发提供了参考。

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Analysis of Vehicle Aerodynamic Characteristics under Heavy Rainfall Environment

YIN Shuo， YU Mengge， CHEN Huanming， WANG Yalun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  In order to study the aerodynamic characteristics of vehicles under heavy rainfall environment， the standard MIRA stepped back vehicle model is taken as the research object， and the aerodynamic numerical calculation model of vehicle outflow field is established. ANSYS fluent is used to analyze the influence of different rainfall intensity and yaw angle on the aerodynamic， velocity and pressure characteristics of car body， track the movement track of discrete phase raindrop and its contact with car body， study the distribution and change of raindrop concentration near the car body surface， and verify the accuracy of the model. The results show that： in the with rainfall environment， with the increase of vehicle speed， the coverage of positive pressure area and negative pressure area on the vehicle body surface increases obviously， and some raindrops rebound on the vehicle body surface obviously; Vehicle speed has great influence on aerodynamic drag， but has no substantial influence on aerodynamic drag coefficient; Under the same vehicle speed， the larger the rainfall intensity is， the larger the aerodynamic drag （coefficient） increases， and the relationship between aerodynamic drag （coefficient） and rainfall intensity is approximately linear; Under a certain rainfall intensity， with the increase of yaw angle， the aerodynamic resistance （coefficient） and aerodynamic side force （coefficient） of the whole vehicle increase compared with that without rain， the surface pressure of the left side gradually increases， the pressure of the rear side window edge area decreases， the coverage of the high velocity area on the roof increases， and extends to the right side of the vehicle body， and the coverage of the low velocity area on the right side of the vehicle body increases; Rainfall increases the surface pressure in the left side of the car， and changes the pressure distribution in the tailbox cover area. This study provides a reference for the research and application of vehicle aerodynamics in heavy rainfall environment.

Key words： numerical calculation; vehicle aerodynamic characteristics; speed; rainfall intensity; yaw angle