开窗对汽车气动力和FE影响的模拟研究

牛润萍,贾小婷

(北京建筑大学环境与能源应用工程学院,北京 100044)

1 引言

到2020年,我国汽车年产量超2500万辆,连续11年蝉联全球第一;公路总里程501.25万公里,其中高速公路里程达到了14.96万公里[1]。可以看出,我国汽车产业和公路建设均处于迅速发展的时期。随着车速不断提高,车辆在行驶时的空气动力也越来越显著,其中气动升力和气动阻力是评价汽车空气动力学性能的主要指标,不仅直接影响汽车的操纵稳定性和动力性,同时也间接地影响燃油经济性[2]。

人们在开车出行时,经常打开车窗通风,这样不仅能减少空调能耗,还能使驾驶员保持清醒,但是汽车行驶时所受到的气动力与汽车速度的平方成正比[3,4],而轮胎与地面的附着力随之下降,速度越高就会遇到“发飘”这种气动不稳定现象,同时也会使百里油耗发生变化。最初关于汽车的空气动力学研究主要集中在气动阻力问题,直到20世纪40年代初,随着赛车事业的发展,气动升力及俯仰力矩、侧力矩以汽车性能的影响才逐渐受到了学者们的关注,其中对汽车开窗的研究则侧重于散热[5,6]和气动噪声[7,8]方面。汽车开窗行驶气动力会发生怎样的变化,对行驶有多大影响,目前国内相关的文献寥寥无几。

为了确认开窗行驶对汽车气动力与燃油经济性的影响,为汽车开窗行驶提供建议,本文使用MIRA阶梯背模型在ANSYS软件中进行数值模拟。

2 仿真方案

2.1 物理模型

以MIRA阶梯背模型国际标准尺寸为研究对象,使用ANSYS软件的建模功能按照1:1的比例建立几何模型,基本参数为4167mm×1626mm×1422mm[9]。由于本文主要研究汽车不同开窗方案对气动升力和阻力的影响,为了在后续的网格生成和计算时节约时间和资源,在建立模型时对复杂的汽车室内几何形状进行了一定程度的简化。模型内部忽略了档位操纵杆、仪表盘等,其次将座椅的曲面弧度减小,由于乘车人数不确定,没有建立人体模型。根据需要对5个车窗是否开闭进行了20中情况的建模如表1所示,简化后的汽车模型如图1所示,车窗命名如图2所示。

图1 MIRA阶梯背模型结构示意图

图2 车窗命名

表1 开窗方案

汽车在行驶过程中,汽车的气动力与外部流场有很大关系,需要在汽车模型的外界建立一个合适的计算域。在理想条件下,计算区域越大得到的结果越接近真实值[10],但是受计算条件限制很难将计算区域的边界无限远,所以确定计算区域时需保证来流稳定且对汽车车身周围的流场影响较小。前人模拟中常采用长方体计算域[11,12]且得到了理想的结果,故本文也采用这种计算域进行模拟:汽车模型前部留3倍车长,后部留7倍车长,上部留4倍车高,左右两侧留3倍车宽,如图3所示。

图3 计算域模型

2.2 数学模型

本文模拟车速为30m/s,远低于声速,属于低速空气动力学范畴,因而汽车周围流场可以看作是三维不可压缩、粘性、等温流场[13]。汽车外形复杂容易引起分离故按湍流处理,所以需引入湍流模型。本文计算采用高雷诺数的Relizable k-ɛ模型,利用二阶迎风差分格式离散控制方程,应用SIMPLE算法进行迭代计算。

2.3 网格划分

由于汽车模型复杂,外流场仿真计算域大,而且对大部分外流场的精度要求不高,根据汽车外部流场结构和求解要求,充分发挥结构网格、半结构网格和非结构网格的优势,采用混合方案[14]。在模型附近应用三棱柱网格,最外侧应用四面体网格,最外侧应用六面体网格[15],如图4所示。车身附近的网格尺寸分别为0.5mm和1mm。这种网格划分画法收敛较快,节约计算时间,且得到的MIRA阶梯背模型的气动阻力系数为0.3380[16],与斯图加特大学IVK风洞试验得到的结果0.3204[17]误差为2.62%,故采用这种混合方案可以使更准确地得到模拟值。为了避免网格不同对气动力造成影响,20个计算模型的计算区域具有相同的网格尺寸,所有模型的网格数量均在190万左右。

图4 网格划分

2.4 边界条件

在有限的区域内进行数值模拟就必须指定边界条件,合理的边界条件可以使模拟结果更接近真实情况。边界条件如表2所示。

表2 计算域边界条件设定

2.5 试验验证

本文采用MIRA阶梯背模型,该模型在风洞试验中得到的气动力如表3所示,其中气动升力系数与湖南大学HD-2风洞试验值的误差为19.1%,气动阻力系数与湖南大学HD-2风洞试验值的误差为5.4%,与斯图加特大学IVK风洞试验值的误差为4.8%。从方案1可知,本次模拟对气动力的预测可信度较高。

表3 MIRA模型风洞测量值

表4 20种开窗方案的气动力系数

3 开窗方案与气动力的关系及其流场特性

3.1 开窗方案与气动力的关系

利用数值仿真软件FLUENT,经过3000次迭代计算,得到汽车在30m/s速度下20种开窗方案的气动升力系数CL与气动阻力系数CD,如表3所示,其中开窗程度为开窗面积/窗户总面积。

从表3可知,在开窗行驶的情况下,气动力发生了变化。这是由于开窗行驶时车室内产生了一个空腔,气流经过车身与空腔的路径发生了改变,从而影响了气动力。

图5是气动力系数随着开窗程度提高的变化图。由该图的变化趋势可知,随着开窗程度的提高,气动升力系数逐渐减小,但没有明显的随着开窗程度变化的趋势,一部分开窗方案的气动升力系数随之增加,另一部分随之减小;气动阻力系数逐渐增大,但随开窗程度变化的的趋势不明显,20种开窗方案的气动阻力系数围绕着0.3469波动。

图5 气动力系数随开窗程度的变化趋势

从上述研究分析得到,开窗程度对气动力系数的影响不大,开窗方案可能对气动力系数产生影响,接下来对不开窗、开不同位置车窗、日常常用开窗方案进行对比,作进一步讨论。

图6是汽车不开窗与只开一个车窗的气动力系数对比图。由图可知方案2、3、4的气动升力系数和气动阻力系数分别增长了255.5%、-59.16%、20.11%和8.76%、14.54%、-0.31%。初步分析开前窗使气动升力和阻力增加;开后窗使气动升力减小而气动阻力增加;开天窗使气动升力增加且气动阻力变化不大。

图6 方案1-4气动力系数

图7是汽车行驶过程中常用的几种开窗方案的气动力系数,由图可知,方案9的气动升力系数0.0735和气动阻力系数0.2986与方案1最为接近;而方案7的气动升力系数0.1842和气动阻力系数0.3973与方案1差异最大。可知只开后侧两窗户对行驶时的气动影响最小,开单侧两个窗户对行驶时的汽车气动形象最大。

图7 常用开窗方案的气动力系数

由上述可知不同的开窗方案对汽车气动力系数的影响程度不同。与不开窗相比,一部分开窗方案的气动力系数变化较大,一部分开窗方案的气动力系数变化不大。

3.2 开窗行驶时的流场特性

开窗行驶时的气动力系数变化范围很大,为了研究其原因,现对开窗行驶时车室内外的流场情况进行分析。由初步推断可知开窗程度对气动力系数的影响不大,现对典型方案2、6、7、17作分析。

图8为截面位置示意图,如图在车窗附近建立水平平面Y=1.3m;在汽车中央建立X=3.8m和Z=6.5m两个截面。分别提取几个典型方案Y=1.3m处的压力和速度分布图以及X=3.8m和Z=6.5m处的速度矢量分布图进行讨论。

图8 截面位置示意图

图9是典型开窗方案Y=1.3m处的压力分布图,可以看到在开窗行驶时车室外是高压区,车室内是低压区,车室外的压力远远大于车室内,导致大量气流通过车窗进入车室内部,引起车室内流场变化,这也是开窗引起气动力变化的主要原因。

图9 典型开窗方案Y=1.3m处的压力分布图

图10是典型开窗方案Y=1.3m处的速度分布图,通过对比发现当只开前窗时,空气在经过A柱后由于惯性原因并没有直接进入车室,而是在接近B柱时才流入车室;当打开后窗时,空气在流经B柱后就有明显向车室方向流动的趋势,而且从后窗进入车室的气流量比前窗多,对汽车室后部的冲击更大,这也导致当开后窗时气动阻力明显增加的根本原因。

图10 典型开窗方案Y=1.3m处的速度分布图

图11 典型开窗方案Z=6.5m处的速度矢量图

图12 典型开窗方案X=3.8m处的速度矢量图

通过上述图片发现,由于开窗方案不同,气流进入车室的的流动路径各异,但是都在车室内循环流动,形成回流区域,产生了位置、大小各异的涡旋,这些涡旋与汽车车身相互作用,是导致不同开窗方案的气动力系数差异的根本原因。

4 开窗对汽车燃油经济性的影响

气动升力系数和气动阻力系数作为评价汽车整体性能的主要指标,对汽车的燃油经济性存在重要影响。当汽车在公路上开窗行驶时,由于开窗造成了汽车周围的气流组织发生变化,影响了汽车的气动升力和阻力。气动升力发生改变时,有时司机会感觉到“发飘”,要控制汽车在前进方向上行驶存在一定困难,这是操纵稳定性受到了影响;而开窗时发现汽车的油耗有所增加,这是由于开窗导致阻力增加引起的。

气动升力和气动阻力的计算公示为

(1)

(2)

百里内发动机消耗油的升数[19]为

(3)

式中CL为气动升力系数;CD为气动阻力系数;G为汽车受到的重力,取12753N;ρ为空气密度,取1.225kg/m3;A为车辆正投影面积,采用的MIRA的正投影面积为1.856m2;v为汽车行驶速度,取本次模拟速度为30m/s;ηT为汽车传动系效率,取0.9;ge为发动机相应工况的有效油耗率;γ为燃油重度;f为轮胎与地面之间的摩擦系数。

当气动升力系数为负时,对汽车整体性能各有利弊,一方面负升力如果增大会导致诱导阻力增大,从而降低了汽车的燃油经济性,另一方面负升力增加了轮胎对地面的附着力,提高了操纵稳定性。但是MIRA阶梯背模型属于一般家用汽车,汽车本身产生的重力完全可以满足汽车行驶的需要。方案10和方案14的气动升力系数皆为负,且方案10的气动升力系数的绝对值大0.0564,由式(5)计算得到方案10百里所消耗油量比方案14增长了6.74%。因此可以考虑选择负升力较小的开窗方案来避免不必要的燃油损失。

当气动升力系数为正时,由于正升力的减小导致轮胎与地面间的摩擦力增大,这有利于提高汽车的操纵稳定性。在几个得到正升力的方案中,与不开窗的油耗相比,方案2和方案6的气动升力系数分别增长了0.1430和0.0529,百里油耗分别增长了7.61%和14.81%。减小正升力导致的诱导阻力的减小量远大于其引起的滚动阻力,因此减小正升力仍然可以提高汽车的燃油经济性。

5 结论

当车辆在市区行驶,对车室内的舒适性要求不高的情况下,可以打开车窗通风行驶,这样在炎热的夏天不仅可以通风,还可以减少空调的功率消耗。通过对行驶时汽车开窗方案进行空气动力学数值模拟,得到20种开窗方案的气动力系数。由于开窗导致在车室内形成了位置、大小、形状各异的涡旋,使气动力发生了变化,进一步导致了汽车的燃油经济性受到了影响。

通过分析得到以下结论:

1)气动力随开窗程度的变化趋势不明显,故开窗程度对气动力的影响较小;

2)开后窗会使气动升力系数减小而气动阻力系数增加,而开天窗会使气动升力系数增加而气动阻力系数变化不大;

1)开窗会在车室内形成大小、位置各异的涡旋,是影响气动力的根本原因;

2)方案2、方案5和方案16的油耗增长率都不超过5%,因此不论哪种开窗方式,得到的气动升力系数越接近“0”时,汽车的操纵稳定性和燃油经济性都能得到保障。