类车体超车过程气动阻力分析研究

摘 要：采用低雷诺数（Re）SSTk-ε模型和高雷诺数（Re）SSTk-ε模型两种方法来模拟类车体超车过程。分析了气动阻力系数、侧向力系数和倾覆力矩系统的变化规律，并对分析结果与相关的参考文献和试验结果进行，验证了数值模拟方法的有效性和可行性。

关键词：类车体;雷诺平均数值模拟;超车;气动阻力

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.03.091

1 引言

两辆相向运动的汽车，其周围空气流动变化剧烈，同时，这种空气流动是无规则的，也就是说，此流动随时间和空间都呈现出不规则的脉动，俗称湍流流动。为了能够更好地模拟汽车超车过程中车体周围的空气流动，首先对汽车进行了简化，简化后的模型称其为类车体（Ahmed Car）。类车体超车过程虽然不能够完全真实地展示出汽车在超车过程中车体周围的流场及其气动特性，但其与汽车超车过程中的车体周围的流场及气动特性的变化趋势基本一致。

与汽车运动一致，简化后的类车体（Ahmed Car）在运动过程中，其周围流场具有湍流特性。為了更好地模拟类车体超车过程中其车体周围的流场特性，本文选用7：10的类车体缩尺模型，采用雷诺平均数值模拟的方法，模拟Ahmed Car的超车过程，根据模拟结果，分析气动阻力系数等气动特性，同时，将计算结果与参考文献结果、试验结果进行对比，验证本文数值模拟计算方法的有效性和可行性。

2 几何模型及流畅空间离散

类车体（Ahmed Car）是汽车等近地运动物体的简化模型。参考文献[2]，在研究类车体超车过程中，类车体几何模型结构及相关尺寸如图1所示。图中尾部倾角α为30°，在两种类型的雷诺数计算过程中，该倾角保持不变。

在本模型中，设置温度为25°C，运动粘性系数ν=1.55×10-5m2/s，空气密度为ρ=1.1805kg/m3;采用雷诺平均数值模拟中的低雷诺数SSTk-ε模型和高雷诺数SSTk-ε两种方法来模拟类车体超车过程，之后，对模拟结果进行分析研究。

利用ICEM网格划分软件，在网格划分过程中，将整个模型分为5个子模块，分别对5个子模块进行网格化分，在参数设置前，利用STAR-CD软件中的耦合技术，将5个模型合为一体。同时，根据流场流动的特点，并结合滑移网格化的需要，在网划分过程中应用了5Body（图2所示）的做法。

本文中，低雷诺数计算模型网格总数约为598万（y+=1）和575万（y+=3），高雷诺数计算模型网格总数约为470万。不同计算方法，导致网格数量的不同，在网格划分过程中，结合后期模拟过程，并运用相对运动原理，可将整个网格分为两种类型，即运动网格和静止网格，不同计算中，静止网格分布基本一致，而网格数量的差异在运动网格布置上，网格布置方式主要依据了流体运动的特性。

3 数值计算方法

类车体外部绕流的气流形态主要有两种：层流和湍流。对层流而言，流体流动是有规律的分层流动，层与层之间的流动互不干扰;湍流状态，流体流动是不规则的，流场中流体的速度、压力等随时间和空间都呈现出不规则的脉动。

雷诺平均数值模拟从雷诺平均方程出发，预测湍流的平均速度场、平均标量场和平均作用力。该方法的网格尺度允许较大，对计算机内存和速度的要求是三者中最低的，因此它也是目前工程湍流计算中所采用的主要方法，也是本文所运用的方法。在雷诺平均数值模拟中，又分为不同种类型的模型，其中，1994年MenterF R提出了SSTk-ω剪切应力输运模型，它是一种在工程上得到广泛应用的混合模型，在近壁面采用Wilcoxk-ω模型，在边界层边缘和自由剪切层应用了k-ε模型。因此在本文的湍流模型选用中，选用了低雷诺数SSTk-ε模型和高雷诺数SSTk-ε模型。

4 计算结果

4.1 基于低雷诺数湍流模型模拟

在低雷诺数湍流模型模拟过程中，采用了y+=1和y+=3两种壁面法向无量纲距离。同时，为了便于数值模拟，在超车过程中，设置一辆车为静止车，另一辆车为运动车，一静一动的结合，简化了两辆车同时运动时超车的繁琐性。

气动阻力集中反映了湍流流场与车体之间的相互作用，流场运动越剧烈，相互作用越强烈。图3（a）（b）（c）和图4（a）（b）（c）均反映了车体在运动过程中，随着两车的距离的靠近，车体所受到的气动阻力上升，随着两车距离的远去，车体所受到的气动阻力逐渐下降。

图3（a）（b）（c）分别给出了两种y+下相对静止车的总阻力系数、压差阻力系数和粘性阻力系数曲线图。从图中可以看出，相对静止车总阻力、压差阻力系数在不同y+下，其曲线走势是一致的，但其峰值略有差异;粘性阻力系数其值变化很小，两种y+下其值均约在-0.188至-0.182之间变化。

图4（a）（b）（c）分别给出了两种y+下相对运动车的总阻力系数、压差阻力系数和粘性阻力系数曲线图。总体上，运动车与静止车在相遇之前，其各种阻力系数基本保持恒定，但，运动车与静止车相比，在两车相遇之前，运动车的各种阻力系数的波动在略大一些的范围内保持恒定。从图4（a）（b）中可以看出，y+=3曲线的恒定范围约为0.07至0.11，而y+=1曲线的恒定范围约为0.045至0.076;这表明运动网格越密，模拟结果越精细。从图4（c）中可以看出，在整个超车过程中，两种不同的y+下，粘性阻力系数均在-0.18至-0.16之间变化，换句话说，在类车体超车过程中，粘性引起的阻力对总阻力的影响占比很小，可以忽略不计。

4.2 基于高雷诺数湍流模型模拟

根据壁面法向距离的不同，低雷诺数湍流模型模拟过程中，采用了y+=25的壁面法向无量纲距离模拟类车体超车过程。整模拟过程与低雷诺数湍流模型模拟一致，两车分为静止车和运动车。

从图5和图6中均可以看出，静止车和运动车在整个超车过程中，车体壁面所受到的各种阻力的变化趋势是一致，这与低雷诺数湍流模型模拟的结果也是一致。从图5（c）和图6（c）中可以看出，粘性引起的阻力系统在整个超车过程中变化不大，但运动车的波动幅度较静止车略有增加。与低雷诺数湍流模型模拟结果一直，在类车体超车过程中，粘性引起的阻力对总阻力的影响占比很小，可以忽略不计。

4.3 数值方法验证

在数值方法验证过程中，选取静止车和运动车的侧向力系数和倾覆力矩系统两种参数，与参考文献[6]中的结果、试验结果进行比较，曲线图见图7、图8。

从图7（a）中可以看出，在X/L=1附近，本文模拟结果与文献结果接近，但与试验结果误差约为19%，说明此结果很不理想。在X/L=0附近，本文模拟结果与文献结果、试验结果相比，本文模拟结果要优于文献结果，但与试验结果误差约为15%。

从图7（b）中可以看出，在X/L=-0.5和X/L=0.5附近，倾覆力矩系数与试验结果相差较大，误差分别约为22%和16%。

从图8（a）中均可以看出，在X/L=1附近，本文模拟结果与文献结果接近，与试验结果误差约为26%，在X/L=0附近，计算结果更接近于试验值，其误差约为3%。

从图8（b）中可以看出，本文模拟结果与文献结果、试验结果的曲线基本一致，在X/L=1附近，本文模拟结果与文献结果、试验结果误差约为2%，在X/L=-0.5附近，本文模拟结果与文献结果基本一致，与试验结果误差相差较大，约为20%。

由以上分析可以知，本文采用两种方法模拟类车体超车过程的模拟结果与文献结果、试验结果趋势基本一致，最大误差约为26%，这说明，本文所选用的计算方法是可行的，但在网格划分等其他细节方面有待提高。

5 结论

根据数值模拟计算结果分析，结合相关文献数据，得出以下结论：

（1）对比两种不同的壁面法向无量纲距离计算结果，边界层内网格越密，对类车体气动力系数的刻画会更为精细。

（2）分析不同雷诺数湍流模型模拟类车体超车过程中的各种阻力，由粘性阻力对总阻力的影响占比很小，可以忽略不计。

（3）對类车体受到的侧向力系数和倾覆力矩系数与文献结果、试验结果进行了分析对比，结果表明，本文的数值模拟计算方法的有效性和可行性。

参考文献

[1]王瑞丽.高速列车驶入隧道气动效应数值模拟研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.

[2]C.Noger，C.Regardin，E.Szechenyi.Investigation of the transient aerodynamic phenomena associated with passing manoeuvres[J].Journal of Fluids and Structures，2005，（21）：231-241.

[3]林铁平.汽车外流场DES模拟研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[4]李文文.成型加工流场中黏弹性高分子熔体的流变响应分析[D].青岛：青岛科技大学，2016.

[5]Menter F R.Two equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications[J].AIAA Journal，1994，（32）：1598-1605.

[6]David Uystepruyst，Sinisa Krajnovic.Numerical simulation of the transient aerodynamic phenomena induced by passing manoeuvres[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2013，114：62-71.

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