1、第 卷 第期青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）年 月 （）文章编号：（）；：风雨环境下汽车空气动力学性能分析胡春雨，于梦阁，盛旭高，李美香（青岛大学机电工程学院，山东 青岛 ）摘要：为了研究风雨环境对汽车空气动力学性能的影响，本文基于 方法建立风雨环境下汽车空气动力学模型，采用（）雨滴谱对雨滴降落进行数值模拟。基于风雨双向耦合算法进行风场和雨滴迭代模拟，开展不同侧偏角，不同降雨强度条件下汽车空气动力学特性研究。计算结果表明，当侧偏角相同时，车身迎风侧所受正压、车身表面的雨滴浓度及单位时间内降落至车身的雨滴质量均随着降雨强度的增大而增大，且雨滴降落位置主要位于前车窗附近，汽车的气动阻力
2、系数随降雨强度的增大而增大；当降雨强度相同时，汽车的气动阻力系数随侧偏角的增大先增大后减小，而侧偏角的增大或降雨强度的增大，均会导致汽车的气动性能恶化。该研究为车辆安全行驶提供了理论依据。关键词：雨滴谱；降雨强度；离散相；风雨载荷；气动性能中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；中国博士后科学基金资助项目（）作者简介：胡春雨（），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆空气动力学及纵向动力学。通信作者：于梦阁（），女，副教授，博士，主要研究方向为车辆空气动力学。：随着汽车保有量不断增加，公路里程不断增长，车辆运行环境变得愈加多样。当车辆以较高车速行驶时
3、，风雨环境会对车辆周围气动性能产生消极影响，进而对驾驶员的行车安全造成潜在威胁 。目前，国内外学者在车辆气动特性方面开展了大量研究。在无侧风环境下，以类汽车模型 车型为研究对象，基于风洞试验得到该车型不同工况下的气动力系数 。等人采用格子玻尔兹曼方法，研究汽车的气动升力，发现尾部涡相互挤压可使升力震荡；等人结合粒子图像测速试验与数值模拟方法，揭示了 车尾部的涡流特性及其形成机理。对于侧风环境下车辆气动性能，鲍欢欢等人 通过数值模拟方法，得到不同侧风环境下，车辆所受的气动力及车体周围的流场结构；彭丽娟等人 对车辆外形进行减阻优化设计，优化前后的阻力系数明显降低。在风雨环境下，由于汽车、空气与雨滴
4、三者之间的相互作用，车体周围流场与无侧风环境相比更为复杂，对驾驶员行车安全影响较大，有必要对其进一步深入研究。在风雨环境的数值仿真方面，大多研究者采用 方法对连续相空气建模，用 方程，描述连续相空气随时间及空间的变化。在离散相雨滴建模方面，采用 方法，可将雨滴与空气看作相互贯穿的连续流体。等人 采用 方法可将雨滴看作相互离散的颗粒，独立计算雨滴的降落轨迹。基于此，本文采用 方法，对风雨环境进行建模，采用 雨滴谱，描述空气中雨滴的特性，并在侧风与降雨环境下，研究汽车的气动特性变化及雨滴对汽车的冲击影响。该研究对风雨环境下驾驶员的行车安全提供了保障。计算方法风雨流场计算对风雨环境数值模拟，采用 方
5、法对连续相空气建模，采用 方程描述空气的流动。由于车辆行驶过程存在湍流影响，因此采用 模型对湍流进行描述。雨滴在空气中的降落可视青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷为离散的，而且雨滴在空气中所占的体积分数通常低于 。假设雨滴为轴对称圆球形，降落过程无蒸发、无凝聚且无碰撞，因此采用 方法进行离散相雨滴建模，模拟雨滴的降落过程，然后基于风 雨双向耦合算法进行空气与雨滴的迭代计算。常用的雨滴谱模型有 雨滴谱、雨滴谱及 雨滴谱，本文采用 雨滴谱描述不同降雨强度下空气中雨滴的微观特征。雨滴谱表达式为（）（）式中，（）为不同直径的雨滴个数；为浓度，取常数值 ；为雨滴直径，；为尺度参数。尺度参
6、数为 （）式中，为降雨强度，。雨滴末速度为雨滴降落至稳定状态的速度，即雨滴所受重力、曳力与浮力平衡时的速度，雨滴粒径不同，其降落末速度也不同。雨滴降落末速度为 （）（）风雨载荷计算雨滴在降落过程中，速度随着时间的增加逐渐达到稳定，当雨滴降落至车体附近时，由于车体周围流场的影响，其稳定状态遭到破坏，降落速度发生改变，最终撞击到车体表面，对车体产生一定冲击作用。假设雨滴撞击车体时无蒸发或无溅射，则在降雨时间内，落至车体的所有雨滴对车体的冲量和为（）（）式中，为降雨时间内落至车体的所有雨滴对车体冲量的矢量和；（）为第个雨滴撞击车体表面不同时刻的瞬时受力矢量；为降雨时间内落至车体的雨滴个数；为第个雨滴
7、的撞击时间，即雨滴从接触车体开始到速度降为零的时间间隔。车体所受雨载荷为每一时刻雨滴作用到车体上的冲击力，由于雨滴是离散的，且对车体的冲击力是一个瞬态变化的过程，因此车体所受雨载荷是一个随时间变化的波动值。定义稳态雨载荷为单位时间内车体所受雨载荷的平均值，即稳态雨载荷为恒定值。而车体所受的稳态雨载荷可通过雨滴对车体的冲量和进行换算，则在降雨时间内，车体所受的稳态雨载荷为（）式中，为车体所受的稳态雨载荷矢量。由动量定理可知，单个雨滴对车体的冲量与该雨滴的动量变化量相等，则在时间段内，落至车体的所有雨滴对车体的冲量和等于所有雨滴动量变化量的和，即（）式中，为降雨时间内落至车体所有雨滴动量变化量的矢
8、量和。在降雨时间内，落至车体所有雨滴动量变化量的矢量和为（）式中，为第雨滴的质量；为第个雨滴接触车体时刻的瞬时速度矢量。由式（）式（）可知，在降雨时间内，车体所受的稳态雨载荷，可通过降落至车体所有雨滴动量变化量的和进行描述，即（）对计算域中每个雨滴降落的轨迹及降落速度进行追踪，由式（）求得车体所受的稳态雨载荷。为分析风雨环境下汽车的气动特性，可用气动阻力系数、气动侧力系数及气动升力系数描述气流对汽车的作用。其表第期胡春雨，等：风雨环境下汽车空气动力学性能分析达式分别为，（）式中，为气动阻力系数；为气动阻力；为气动侧力系数；为气动侧力；为气动升力系数；为气动升力。其中，气动阻力、气动侧力及气动升
9、力通过软件计算可得。雨滴对汽车的作用可通过定义的稳态雨载荷系数进行描述，定义的纵向、侧向及垂向稳态雨载荷系数分别为 ，（）式中，为纵向稳态雨载荷系数；为纵向稳态雨载荷；为侧向稳态雨载荷系数；为侧向稳态雨载荷；为垂向稳态雨载荷系数；为垂向稳态雨载荷；为空气密度；为合成风速，即车速与侧风风速的矢量合成；为汽车正投影面积，。式（）中的纵向稳态雨载荷、侧向稳态雨载荷及垂向稳态雨载荷由式（）计算所得。计算模型验证及雨滴谱计算模型采用 阶梯背车型进行强降雨环境车辆空气动力学数值模拟，阶梯背车型尺寸结构如图所示。图 阶梯背车型尺寸结构图计算域考虑到风雨多相流计算中风场对雨滴的影响，导致雨滴以一定角度降落至地
10、面及车体表面，若车体距离计算域速度入口较近，则雨滴无法撞击到车体表面，因此，车体位置需远离速度入口。通过计算可得，当车体距左侧速度入口，距前侧速度入口 时，雨滴可合理的降落到车体表面。计算域长度为，宽度为，高度为，计算域如图所示。在强降雨环境下，对 车型进行空气动力学计算时，连续相风场的边界条件设置为车体前方及左侧方为速度入口，车体后方及右侧方为压力出口，计算域底面设置为滑移壁面，计算域顶面设置为对称壁面，车体表面设置为无滑移壁面。离散相雨滴边界为车体表面，设置为 边界条件，计算域底面设置为 边界条件，计算域速度入口及压力出口设置为 边界条件。计算模型采用混合网格进行划分，内域体网格采用四面体
11、网格，最大尺寸为 ；外域体网格采用六面体网格，尺寸为 ；车体表面采用三角形面网格，最大尺寸为；车体外表面设置边界层，边界层第一层高度为，并以 倍增长率增长，共层边界层，整个计算域网格数量约为 万。车体面网格及计算域体网格如图所示。青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷图车体面网格及计算域体网格图气动阻力及侧力系数随侧偏角变化曲线空气动力学计算验证为保证汽车空气动力学模型的准确性，对无雨环境下汽车的空气动力学数值进行计算，并将计算结果与风洞试验数据进行对比，证明数值计算结果与试验结果非常接近，阻力系数误差低于，侧力系数误差低于，满足工程计算的需求。将合成风速为 ，侧偏角分别为，的气动
12、阻力及侧力系数的计算值与试验值进行对比分析，气动阻力及侧立系数随侧偏角变化曲线如图所示。表雨滴直径分组雨滴直径控制范围 雨滴谱基于 雨滴谱设计 种不同直径的球形雨滴，代表空气中的雨滴分布，模拟不同降雨强度，雨滴直径分组如表所示。计算域共设置 个雨滴入射点，入射点位置位于计算域顶面，以保证雨滴合理的充斥整个计算域空间，每个入射点一次喷射 个直径不同的颗粒包，保证空气中雨滴分布的均匀性，每一粒包以质量流率方式进行降落控制，保证不同工况下的降雨强度，符合实际降雨环境。计算结果分析本文采用 软件，对风雨环境下 车型空气动力学进行数值模拟。通过计算不同降雨强度，不同侧偏角下的汽车空气动力学数值，研究风雨
13、环境汽车的空气动力学性能。数值模拟时，降雨强度分别取，侧偏角分别为，合成风速为 ，共计 个计算工况。以侧偏角 ，降雨强度 为例，车身表面雨滴质量浓度分布如图所示。图车身表面雨滴质量浓度分布第期胡春雨，等：风雨环境下汽车空气动力学性能分析由图可以看出，随着降雨强度的增大，车身表面雨滴质量浓度逐渐增大，雨滴质量浓度分布较大处主要位于前车窗附近，说明雨滴降落位置主要位于前车窗。而车体前侧与车体左侧相比，车体前侧雨滴质量浓度分布明显较大，主要由于该工况下，纵向风速大于侧向风速，导致雨滴降落至车体的速率不同，使车体前侧的雨滴质量浓度大于车体左侧雨滴的质量浓度。图雨滴质量随降雨强度及侧偏角的变化曲线单位时
14、间内，降落至车身表面的雨滴质量随降雨强度及侧偏角的不同而进行变化，雨滴质量随降雨强度及侧偏角的变化曲线如图所示。由图可以看出，当侧偏角一定时，单位时间内降落至车身的雨滴质量随降雨强度的增大而增大，当降雨强度一定时，单位时间内降落至车身的雨滴质量随侧偏角的增大而增大，这是由于随着侧偏角的增大，合成风速方向汽车的投影面积随之增大，雨滴在风场的作用下降落在车身上的质量也会增大。以侧偏角 ，降雨强度 为例，距离车体前端 处，车体周围横截面的压力分布如图所示。由图可以看出，随着降雨强度的增大，车体左侧迎风侧的正压逐渐增大，导致车体侧向力增大，汽车的气动性能变差。车体左侧正压增大原因是由于空气中的雨滴影响
15、了风场的流动，致使风雨环境下侧风对车身的冲击作用较无雨环境更强，从而导致风雨环境下车体左侧正压随着降雨强度的增大而增大。图车体周围横截面的压力分布与无雨环境相比，降雨环境下空气的流动发生了变化，因此汽车的气动力系数也发生变化，汽车的气动力系数随降雨强度及侧偏角的变化规律如图所示。由图可以看出，当侧偏角相同时，汽车的气动阻力系数、气动侧力系数及气动升力系数均随降雨强度的增大而增大；当降雨强度相同时，车体的气动阻力系数随侧偏角的增大先增大后减小，气动侧力系数及气动升力系数均随着侧偏角的增大而增大。青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷图汽车的气动力系数随降雨强度及侧偏角的变化规律汽车的
16、稳态雨载荷系数随降雨强度及侧偏角的变化规律如图所示。图中纵坐标正负号为受力方向，不代表数值大小，图（）中垂向稳态雨载荷系数的负号表示其力的作用方向竖直向下。由图可以看出，当侧偏角相同时，汽车的纵向、侧向及垂向稳态雨载荷系数均随降雨强度的增大而增大；当降雨强度相同时，汽车的纵向、侧向及垂向稳态雨载荷系数均随侧偏角的增大而增大，这是由于当侧偏角增大时，汽车合成风速方向的正投影面积增大，落至车体的雨滴数量及质量也随之增大，因此汽车的纵向、侧向及垂向稳态雨载荷系数均随之增大。图汽车的稳态雨载荷系数随降雨强度及侧偏角的变化规律稳态雨载荷系数与气动力系数之比如图 所示。图中，纵坐标正负号表示稳态雨载荷与气动力作用方向相同或相反，正号表示与作用方向相同，负号表示与作用方向相反。由图 可以看出，当侧偏角相同时，纵向稳态雨载荷系数与气动阻力系数比值、侧向稳态雨载荷系数与气动侧力系数比值及垂向稳态雨载荷系数与气动升力系数比值均随着降雨强度的增大而增大。当降雨强度相同时，纵向稳态雨载荷系数与气动阻力系数比值随侧偏角的增大先减小后增大，侧向稳态雨载荷系数与气动侧力系数比值随侧偏角的增大而增大，垂向稳态雨载荷系
