某模型车侧窗表面非定常压力场的数值模拟与风洞试验研究

摘 要：采用风洞试验方法和数值模拟的方法研究模型车的表面压力分布，稳态数值模拟阶段采用两种近壁面网格方案配合选用两种湍流模型：1）直接求解近壁区域的k-ω SST湍流模型；2）壁面函数求解近壁区域与k-ε Realizable湍流模型结合方法。根据与风洞试验的结果对比，比较上述两种方案的计算流体力学（CFD）模拟精度，并且在瞬态模拟阶段验证子域赋值法计算精度，为后续获取该模型外部后视镜气动噪声提供基础。

关键词：CFD；表面压力测量；近壁面网格；子域赋值法；仿真精确性

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）02-75-04

Abstract： With wind tunnel test method and numerical simulation method to study the surface of the scaled model of pressure distribution， the steady-state phase numerical simulation using two near wall grid combined with choose turbulence model： 1） direct solving the near wall region of the k - omega SST turbulence model； 2） wall function to solve the near wall area and k-epsilon Realizable turbulence model combining method. According to the results of wind tunnel test， compare these two schemes of computational fluid dynamics （CFD） simulation precision， and during the transient simulation validation subdomains method to calculate precision， outside rearview mirror for subsequent access to the model of pneumatic noise provides the basis.

Keywords： CFD； Surface pressure measurement； Near wall grid； The subdomain simulation method； The accuracy of simulation

CLC NO.： U463 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）02-75-04

前言

汽车外后视镜是暴露在空气中的钝体，扰动流场产生的湍流脉动压力引起侧窗的振动并向车内辐射噪声，严重影响人们乘坐舒适性，因此有必要准确模拟后视镜下游处流场状态。流场包括核心区域和近壁面区域，对于核心区域的模拟，已经经过了许多学者的论证[1，2]，即基于完全湍流性建立起来的的高雷诺数模型k-ω和k-ε系列；那么对于近壁区域非完全湍流性模拟的精确度就显得尤为重要。目前有两种处理近壁区域流场的方法：低雷诺数k-ε模型直接求解法和壁面函数法[3]。本文选用典型的应用直接求解近壁区域方法的k-ω SST模型和k-ε Realizable模型与壁面函数结合的方法研究模型比例模型，获得后视镜和侧窗区域不同的近壁面网格，同时进行了风洞试验，将外后视镜引起的侧窗表面脉动压力和流动结构与试验进行对比，从而确定哪种近壁面网格在上述两种方法中能得到较准确的流场。

除了研究模型的复杂性和高密度的网格情况，还有受到A柱影响形成的旋转涡内和后视镜尾涡区共同作用导致气流的分离，使得流场具有非定常特性。为了有效的获得后视镜区域的瞬态流场信息，采用子域赋值法对该区域进行局部流场的瞬态计算，为进一步的气动噪声的研究提供基础。

1 数值模拟

1.1 模型比例模型和计算域

为了表达试验段的流动状态，建立了某轿车模型和风洞计算域，如图1所示，为了减少计算量将后视镜侧窗区域单独截取出来构成封闭的子域如图2所示。

1.2 计算网格

整车和风洞型计算域三角形面网格数量大约为170万，网格大小为5mm。y+是描述近壁区域流场的无量纲值，壁面的y+值范围分为：y+<5的粘性底层，30

1.3 求解设置

本文中全域网格1、全域网格2分别选择k-ω SST和 Realizable k-ε湍流模型进行稳态计算，保证喷口处为30m/s的速度入口，无滑移壁面应用到车身表面、风洞模型各个表面，两套全域网格的四种工况的稳态计算耗时20h，然后将较为准确的稳态结果赋予子域进行瞬态LES计算，流体流过后视镜所需的时间约为0.006s，而流过子域所需的时间约为0. 02s，对子域采取了0.0001s时间步长，总计算时间0.5s，计算采集到充分的样本数据，花费36h完成计算。

2 风洞试验

2.1 流态显示试验

为了观察汽车周围空气的流动现象，采用流态显示方法分析流动机理，将模型侧窗表面区域放置光滑相纸，相纸上均匀涂抹悬浊液，悬浊液会在气流的作用力下形成一定流场结构显示在相纸上。

2.2 测压试验

如图4所示在模型左侧窗和车门表面上布置了45个压力监测点，点与点间隔40mm，当气流流经模型，通过布置在其表面上压力传感器便可采集到压力信号。

3 结果与讨论

3.1 流态显示

如图5的风洞流态显示试验可以看到气流在A柱之后发生分离，又在模型侧窗表面上重新附着且再附着线清晰可见，位于侧窗和车顶交界处出现斜向上后方的旋转锥型涡。在后视镜后方区域包括车门位置出现明显的尾涡，尾涡的形成是由于后视镜基座处空间变化将流经的气流加速，形成低压区。占据侧窗面积2/3油流相对整齐有序，形成了再附着区域，由于试验中不可忽略重力的作用，车门上的油流有斜向下趋势。旋转涡区和尾流区是气流分离区域，对于侧窗上气流的非定常特性占有主导地位[4]，从而产生了作用在侧窗上的表面脉动压力。

图6是两类网格分别在不同湍流模型下的油流显示，y+<4的全域网格1能够捕捉到再附着线，且图6（1）后视镜的尾涡区大小与试验一致，而图6（2）在车门位置没能体现出气流在后视镜下方绕流形成的分离区，推断y+<4时的k-ω SST模型更准确。y+>30的全域网格2没有显示出A柱影响旋涡区的再附着线，图6（3）相对图6（4）的后视镜尾涡更接近试验，推断y+>30时的k-ε Realizable更准确。

3.2 表面压力

全域两套网格侧窗与车门位置的各监测点稳态仿真的压力系数Cp与风洞试验Cp值之差表示为ΔCp，ΔCp越小则仿真越接近试验。如图7所示，全域网格1（y+<4）在k-ω SST湍流模型计算所得Cp比k-ε Realizable湍流模型更准确；而全域网格2（y+>30）得到相反的结果。这是由于k-ε Realizable模型根据对数区特点推导出壁面函数，忽略粘性层的特点将近壁区域的物理量直接与湍流核心区联系，因此不需要知道近壁区域在粘性底层的流动，用来模拟近壁面的边界层不需要细化网格；而k-ω SST模型是典型的在近壁面区域采用低Re数k-ε模型直接计算，在湍流核心区又转化为高Re数k-ε模型进行求解，能够详细模拟粘性层流动，因此需要划分很薄的边界层网格配合湍流模型求解近壁区域的流动。

图8可以看出试验值更接近子域仿真得到的Cp值，但是仍存在监测点不准确的区域，如位于后视镜尾涡区和受A柱影响的旋转涡区：后视镜尾涡区域点（图9红色编号点）通过LES仿真得到监测点的压力脉动幅度较大，判断此处不仅仅被后视镜尾涡影响还有A柱旋转涡区的影响从而形成复杂流场；位于旋转涡区的点（图9黄色编号点），它们只受A柱位置旋转斜向上的分离流影响，流场变化不如后视镜尾涡区激烈，因此LES仿真是小幅度的压力波动。试验与仿真在特殊位置的Cp存在偏差还由于二者采集数据的时间间隔分别是是1s和0.0001s。但是从另一个角度可以根据Cp值仿真出现的误差现象可以推断出流场的三大区域：后视镜尾涡区、旋转涡区和再附着区的位置，有利于分析流场结构。

子域的瞬态计算得到后视镜尾部侧窗表面上出现不同尺度的漩涡，定量分析侧窗和门板的压力脉动的大小，引入压力系数标准差σp，如公式（1）：

图9橙色编号点表示0.05<σp<0.1范围内的监测点，位于侧窗上的再附着区以及侧窗与车门交界处；图9红色编号点表示σp>0.1，由于受A柱旋转涡区和后视镜尾涡共同影响下压力波动剧烈，其中点6、10、19、25位于再附着线附近；图9黄色编号点的σp<0.05，由于受到A柱影响的分离流较为均匀平缓形成的旋转涡区，脉动压力较小。

4 结束语

采用风洞试验和数值模拟的方法研究50%比例的模型轿车模型后视镜、侧窗区域外流场，得出结论如下：

（1）通过与风洞试验的对比发现，根据y+值划分网格，当首层网格节点处于粘性层范围时使用k-ω SST湍流模型得到较好计算结果；当其处于对数域使用k-ε Realizable 计算较为准确。

（2）选用y+<5全域网格1截取关键区域进行子域的瞬态计算发现，通过表面压力系数结果判断，子域LES计算得到平均流场与全域RANS计算得到流场可以相互验证，且相比全域RANS模拟，再附着区内的子域LES模拟更准确。

（3）对于侧窗的分离区，根据压力系数标准差判断，子域瞬态模拟能够捕捉分离区流场的非定常特性。由A柱影响的旋转涡区内的监测点σp小于0.05，后视镜的尾涡区内监测点压力波动较为剧烈，且压力波动最剧烈的位置即为再附着线附近，σp大于0.1，而再附着区监测点σp在0.05与0.1之间，因此根据监测点脉动压力波动的大小明确流场结构，为后续的气动噪声研究提供基础。

参考文献

[1] MEBTER，F，Zonal Two Equation k-ω Turbulence Model for Aerodynamic Flows[J] AIAA93-2906（1993），pages196-206

[2] 熊超強，臧孟炎.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程. 2012. Vol.34. No.1

[3] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] Ye Li， Naohiko Kasaki，Evaluation of Wind Noise Sources Using experimental and Computational Methods[C].SAE Paper， No.2006-01-0343.

[5] Introduction of a New Realistic Generic Car Model for Aerodynamic Investigations[C].SAE Paper No.2012-01-0168.