由于本文是研究运动物体的气动特性, 所以数值模拟中要采用动网格的方法。目前的动网格方法中, 弹簧网格法对于处理位移不大的直线运动比较适用, 而层铺滑移网格方法适用于大位移的直线运动。旋转滑移网格方法虽然可以解决一些旋转运动问题, 但要求运动区域与静止区域的网格计算域外形为圆柱域, 而且交界面边界要相对规则, 这种要求不利于解决超车或会车等复杂工况的数值模拟, 所以本文采用重叠网格方法来解决动网格的问题。

重叠网格是对任意相对位置、彼此重叠的计算域中的网格进行数值离散化处理的一种网格处理方法, 它被广泛应用于运动物体以及优化计算的研究。通常不需要对初始生成的网格进行修改, 这对标准化网格技术的应用带来了极大的方便。任何重叠网格都由包含整个计算域的主域和包含运动物体的从域组成。

本文采用的计算模型为国际上通用的SAE阶背式1∶ 1模型, 尺寸如图1所示。SAE模型是非常简单的汽车形体模型, 仅对几个平面和棱角进行了倒角处理, 底部尾端设置有扩散器, 没有车轮和轮腔, 在汽车空气动力学的研究中获得了广泛的应用^{[3, 4]}。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 SAE尺寸Fig.1 SAE model dimension

通过Catia软件建立模型, 模型的最大外边界尺寸为4200 mm× 1600 mm× 1200 mm, 离地间隙为200 mm。SAE模型周围的长方体区域为从域, 从域的外边界尺寸为8500 mm× 3250 mm× 3250 mm, 如图2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 SAE模型Fig.2 SAE model

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 计算域Fig.3 Calculation field

最终生成的模型如图3所示, 其中主计算域外边界尺寸为123600 mm× 24000 mm× 10500 mm, 主计算域中车辆行驶区域的尺寸为104750 mm× 3750 mm× 3750 mm, 车道前端距离入口8400 mm, 后端距离出口10450 mm, 车头距主计算域前端入口94200 mm, 车尾距主计算域后端出口25000 mm, 车尾距离计算域后端出口要有足够长的距离, 以保证车辆的尾流能够充分发展, 这样计算结果才能准确^{[5, 6]}。

网格的划分对数值模拟的结果有较大的影响^{[7, 8]}, 本文利用STAR-CCM+进行trim网格的划分, 对于SAE模型, 底部扩散器特征线采用7.8125 mm的网格尺度, 模型其他部分的特征线使用15.625 mm的网格尺度, 模型表面最大网格尺度为31.25 mm, 边界层为10层, 生成的网格如图4所示。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 网格划分Fig.4 Grid partition

从域边界处网格尺度为62.5 mm, 从域网格增长速度为8层增长一倍, 而且保证从域和主域重叠部分的网格应不少于4层。主计算域外边框采用500 mm的网格尺度, 同时将车道部分网格进行加密, 网格尺度为62.5 mm, 网格增长速度为10层增长一倍。最终生成1000万左右的网格。

主域和从域的边界条件如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 主域和从域的边界条件 Table 1 Boundary condition of main field and secondary field 主域 从域 入口边界 v=0 m/s 车身表面 Fixed Wall 出口边界 p=0 Pa 底面 Fixed Wall 地面边界 Fixed Wall 其他壁面 Interface Wall 其他壁面 Slipping Wall

表1 主域和从域的边界条件 Table 1 Boundary condition of main field and secondary field

设定从域的运动方式为直线运动:车速v=-22.22 m/s, 由车速及最小体网格尺度, 根据库朗数估算初始的时间步长为0.0002 s, 每个时间步进行5次迭代, 计算160个时间步长后改用0.002 s的时间步长进行计算。

本文简化模型外部流场的流动可以看作是恒定温度下的不可压缩流动, 其流场的控制方程包括时均连续方程和Reynolds方程。汽车为钝头体, 周围的流动非常复杂, 流线曲率变化比较大, 需要很好地模拟车身表面的边界层流动。本次计算采用Realizable k-ε 湍流模型^{[9, 10]}, 它适合的流动类型比较广泛, 包括旋转均匀剪切流、自由流、腔道流动和边界层流动, 对以上的流动过程, 包括对边界层的模拟结果都要比标准的 要好。

在瞬态直线行驶的基础上, 采用相同的网格设置和计算方案, 进行弯道行驶车辆的瞬态数值模拟, 研究弯道半径对行驶车辆气动特性的影响。根据国家相关法规的要求, 在满足交通安全的前提下, 弯道半径分别为400、200和100 m三种情况。弯道行驶的车辆运动方式为圆周运动, 为了保证车辆行驶时的瞬态切向速度相同, 弯道半径分别为100、200、400 m时, 车辆的行驶角速度分别为0.22、0.11、0.056 rad/s。图7为弯道半径为100 m时, 最终生成的计算域。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 弯道行驶模型Fig.7 Model of cornering vehicle

图8为弯道半径为100 m某时刻的 向瞬态速度分布, 对比图5与图8可以看出, 弯道行驶车辆的尾流结构与直线行驶工况有很大不同, 尾流结构不再是对称分布, 这会导致车辆所受到的气动力发生改变。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 弯道行驶车辆z向速度分布Fig.8 Velocity distribution of cornering vehicle

3.2 行驶速度变化

在弯道半径为100 m的情况下, 改变车辆的行驶速度, 分别模拟了速度 为40、60、80和100 km/h时的情况, 如表2所示, 其中C_S为侧向力系数, C_YM为横摆力矩系数。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 计算结果 Table 2 Simulation results 行驶速度/(km· h-1) CS CYM 40 -0.0188 -0.0111 60 -0.0191 -0.0111 80 -0.0197 -0.0111 100 -0.0198 -0.0110

表2 计算结果 Table 2 Simulation results

通过计算发现在弯道半径相同的情况下, 侧向力系数与横摆力矩系数并不会发生改变, 但侧向力和横摆力矩与速度的平方成正比, 所以侧向力和横摆力矩都急剧增大, 影响车辆的行驶稳定性。