仿生非光滑车外后视镜罩气动减阻降噪机理研究

来源:用户上传      作者:陈鑫 阮新建 汪硕 王宁 王佳宁 潘凯旋

　　 摘   要：使用DrivAer汽车模型来研究仿生非光滑车外后视镜罩减阻降噪机理. 风洞试验验证了LES（Large Eddy Simulation）和k-ε仿真模型的有效性，说明车外后视镜会导致空气阻力和空气噪声增加. 在DrivAer汽车模型外后视镜罩造型表面应用仿生非光滑结构，仿真结果表明：车外后视镜上应用仿生非光滑结构，使整车阻力降低5.9%，侧窗外响度降低19.4%;仿生非光滑结构通过改变边界层流动状态，促使涡垫效应形成，减少来流能量损失，提高流场稳定性，进而对整车气动阻力和噪声产生积极的影响.
　　 关键词：车辆工程;仿生学;风洞试验;计算流体力学;减阻降噪
　　 中图分类号：U461                           文献标志码：A
　　 Abstract：Using DrivAer vehicle model， the mechanism of drag reduction and noise reduction of bionic non-smooth rear-view mirror cover is studied. Wind tunnel experiments verify the validity of LES （large eddy simulation） and k - ε simulation models，and show that the rear-view mirror can increase  air resistance and noise. The bionic non-smooth structure is applied to the surface of rear-view mirror cover of the DrivAer vehicle model. The simulation results show that the reasonable application of bionic non-smooth structure can reduce the resistance of the vehicle by 5.9% and the loudness outside the side window by 19.4%; The bionic non-smooth structure promotes the formation of the vortex pad effect by changing the flow state of boundary layer， which reduces the energy loss of incoming flow， improves the stability of flow field， and then has a positive impact on the aerodynamic drag and noise of the vehicle.
　　 Key words：vehicle engineering;bionics;wind tunnel testing;computational fluid dynamics;drag and noise reduction
　　 随着全球经济、科技的快速发展，汽车作为陆地上快速、便捷的交通工具，其保有量迅速增长. 为满足人们对乘坐舒适性的要求，响应节能减排的号召，汽车减阻降噪越来越重要. 汽车的气动阻力和噪声受汽车造型、车速等因素的影响[1-2]，车身表面众多造型结构，均会影响汽车气动阻力和噪声，尤其是后视镜A柱区域是驾乘人员感受最为明显的噪声来源. 研究发现[3]，当车速达到100 km/h时，汽车的气动阻力与噪声会迅速提升，直接影响车辆的动力性与乘坐舒适性，因此车外气动减阻降噪的研究具有重要意义.
　　 仿生学研究发现，生物体表具有众多减阻降噪特征，工程实践上可以得到借鉴和应用. 在车身上应用不同形态和空间排布方式的仿生非光滑结构，可以实现不同程度的汽车减阻降噪. 在减阻方面，Bechert等[4]对鲨鱼的非光滑体表特征进行了研究，提取出3种仿生沟槽特征，并对其减阻效果进行了对比分析;任露泉等[5]研究了不同仿生非光滑特征的减阻率，以及仿生非光滑特征排布密度和排布方式的减阻贡献度;Song等[6]的研究表明仿生卵形凹坑能够减小气动摩擦阻力. 仿生非光滑结构的降噪特性也有学者对其进行探讨. 任露泉等[7]研究发现应用仿生非光滑齿状形态，可以延迟湍流场附面层的分离，取得较为显著的降噪效果;范伟军等[8]研究表明，汽车后视镜布置仿生非光滑凹坑能起到一定的降噪效果.
　　 目前，仿生非光滑结构在汽车减阻降噪方面的研究仍有局限，大多是对气动减阻或降噪的单一研究，鲜有对两者进行综合探讨的. 本文在吉林大学课题组研究成果的基础上[9]，采取风洞试验和数值仿真相结合的方法進行研究，分析后视镜上布置仿生非光滑凹坑的减阻降噪效果，并对非光滑表面的速度场、气流脉动频率、边界层速度、边界层涡量等进行分析，揭示仿生非光滑凹坑的作用机理.
　　1   网格划分与湍流模型选择
　　1.1   计算域网格划分
　　 采用1 ∶ 1的DrivAer汽车模型对后视镜区域的减阻降噪进行研究，模型长度L、宽度W和高度H分别为4 612.575 mm、1 752.875 mm和1 418.17 mm. 为了消除阻塞效应以准确模拟出三维流场结构，计算域尺寸应参考风洞试验. 如图1所示，计算域的长、宽、高分别为10L、11W、8H，模型左右对称放置在计算域中间，模型前部与入口距离为2L，模型尾部与出口距离为7L. 　　 网格划分采用Hypermesh与TGrid相结合的方法. 车身面网格使用Hypermesh进行划分，具有局部特征的地方采用较小网格尺寸进行加密. 体网格划分在TGrid中进行，以面网格为基础通过拉伸生成棱柱层，计算域中心体网格以四面体单元为主进行生成，最后生成的网格如图2所示.
　　1.2   湍流模型选用
　　 汽车外流场具有物理模型复杂、雷诺数高等特点. 采用直接数值模拟需要极高的计算资源，受限于计算机水平的发展，直接数值模拟不能在实车分析上得到应用. 目前工程实践上应用最多的湍流模型是雷诺时均模型，因此本文稳态流场数值模拟选用k-ε和SST k-ω两种雷诺时均湍流模型并在下文对其进行验证. k-ε模型通过壁面函数求解壁面自由剪切流，通过湍流方程求解湍流中心流动;SST k-ω是k-ε和k-ω的混合模型，壁面流场采用k-ω湍流模型进行求解，远离壁面的流场通过k-ε模型进行求解[10]. 分别以Φ1、Φ2、Φ3表示k-ω模型、k-ω模型、SST k-ω模型的函数关系，具有以下形式：
　　 式中混合函数 F1的作用是完成k-ω模型到k-ε模型的过渡[11]. 同时，鉴于LES（Large Eddy Simulation）对瞬态流场具有更好的解析力，本文采用LES求解后视镜瞬态流场噪声，求解过程收敛后对监测点压力数据进行收集，之后使用 FW-H方程处理压力数据得到监测点声压，经过FFT转化之后得到各频率对应的声压级. 仿真时边界条件设置如表1所示.
　　2   风洞试验及仿真方法验证
　　 大部分风洞是由管道组成的试验装置. 可调节气流不断在管道中循环流动，以模拟汽车在实际行驶过程中的气流流动效果.
　　 通过DrivAer模型风洞试验（见图3）来验证稳态仿真模型的准确性. 仿真与实验所得到的阻力系数值如表2所示. 两组仿真结果的误差都小于5%，在工程实践所允许的范围之内. 由于SST k-ω模型具有自适应特性，能够根据流场状态不同，在k-ω模型和k-ε模型之间进行合理过渡，其仿真精度略高，但对表面网格质量要求更高.
　　 DrivAer模型中心平面压力系数曲线如图4所示. SST k-ω和k-ε湍流模型都能较好地预测模型中心平面的压力系数分布. 但在DrivAer模型前挡风玻璃与顶盖的夹角处，由于汽车结构在这里存在较大的分离角，气流流经此处会与模型分离，压力梯度造成的气流再次附着，使流场产生剧烈波动，导致仿真计算在此处的数值精度下降.
　　 图5为侧风窗压力系数分布图. 通过对比可以看出，SST k-ω模型和k-ε模型的仿真结果基本一致，均能准确地模拟出侧窗A柱区域由于气流分离所产生的低压区.
　　 综上所述，两组湍流模型都能准确地模拟出稳态流场，但是鉴于k-ε模型对于网格精度要求较低，稳态流场的求解将采用k-ε模型.
　　 噪声的瞬态仿真采用LES，以某SUV风洞试验为例对噪声仿真的准确性进行验证. 图6为监测点，图7为监测点处噪声的试验结果与仿真结果对比图. 从图7中可以看出，两条曲线的趋势基本一致且误差较小，因此，可以验证此仿真方法对噪声求解的可行性.
　　3   仿生非光滑凹坑减阻降噪效果
　　 气流流经汽车表面产生的边界层分离是气动阻力和噪声产生的主要原因. 根据仿生学研究，生物体表所具有的非光滑凸起和凹坑结构，能起到降低自身运动阻力和噪声的作用，如龙虱背部凹坑以及蜣螂头部凸包. 因此本文根据仿生学原理，将仿生凹坑布置在后视镜上以实现减阻降噪的目的. 凹坑设计依据边界层理论，深度小于边界层厚度，具体大小依据本课题组的研究经验[12]，仿生凹坑布置如图8所示，在后视镜上布置深度为3 mm，横向间距为10 mm的凹坑. 根据上文分析结果，分别采用效果更好的SST k-ω模型和LES模型对原模型与仿生非光滑模型进行稳态仿真和瞬态仿真.
　　 图9为光滑模型与仿生非光滑模型的中心平面压力分布图. 从图9中可以看出，后视镜处仿生非光滑凹坑的引入对整车前部的压力分布几乎没有影响. 仿生凹坑是通过影响流经后视镜的气流状态，改变尾部流场，进而对整车气动性能产生积极的影响. 观察尾部压力分布，仿生非光滑模型行李箱盖上的压力有所降低，尾部压力区域相较于光滑模型有所升高，因此可以推断仿生凹坑在后视镜上的应用能够降低模型的前后压差和上下压差，改善整车的阻力系数与升力系数.
　　 表3为整车阻力系数和侧窗外响度数值的仿真结果. 后视镜处仿生非光滑的应用对整车的气动阻力和噪声都产生了积极的影响，整车减阻率达到了5.9%，侧窗外噪声响度也降低了19.4%. 因此，可以确定仿生非光滑结构的合理应用能起到汽车减阻降噪的效果.
　　4   仿生非光滑减阻降噪机理分析
　　 以光滑模型和仿生非光滑模型的外流场为研究对象，从后视镜尾流结构、侧窗监测点气流特性、边界层状态等方面对仿生非光滑凹坑的作用机理进行探讨.
　　4.1   侧窗速度场分析
　　 图10为后视镜侧窗部位速度分布云图. 仿生凹坑内部是低速旋转气流，造成了凹坑内部的气流与外部气流的气-气接触，形成了涡垫效应. 因此，气流与模型表面的滑动摩擦变为滚动摩擦，有利于减少来流能量损失，加速气流通过;同时有利于延迟气流分离，稳定后视镜尾涡结构，减小侧窗附近流场的压力脉动，降低气动噪声.
　　 为了深入探讨仿生凹坑对速度场的作用效果，在后视镜尾部等差地取5个平面，如图11所示.
　　 图12为光滑模型和仿生非光滑模型在5个平面处的流线图（图中左侧为光滑模型，右侧为非光滑模型）. 由图12（a）可知，仿生非光滑后视镜A柱分离流的涡流结构相较于原模型有明顯减小，可以得出，后视镜处仿生非光滑凹坑不仅对后视镜尾流结构有影响，也对A柱分离流有很大影响. A柱分离涡的减小，有利于降低侧窗附近气流脉动的剧烈程度，使整个车身侧面流场脉动有降低的趋势. 由图12（b）可知，仿生非光滑后视镜尾部的两个主要涡流中心向侧窗外法线方向发生了移动，提高了侧窗平流层的稳定性，使侧窗表面附着的碎涡明显减少，降低了气流与侧窗的相互作用. 由图12（c）可知，仿生非光滑后视镜尾流区域的两个主涡结构已经提前汇合，形成一个主涡结构，有利于降低气流能量损失，加速气流流经车身表面. 由图12（d） 可知，在气流不断向后发展的过程中，非光滑模型后视镜尾部的主涡结构更加稳定，侧窗表面的气流波动也明显减少. 观察图12（e）发现，光滑后视镜尾涡结构在汇合成主涡结构之后又分离形成两个涡结构，而仿生非光滑后视镜尾流依然是一个主涡结构，说明了仿生非光滑结构的引入能够提高后视镜尾流的稳定性. 　　4.2   侧窗监测点流场特性分析
　　4.2.1   侧窗监测点声压级分析
　　 侧窗速度场分析表明A柱气流分离区和后视镜尾流区的气流流动情况较为复杂，与文献[13]分析结果一致. 为了直观分析后视镜所引起的气动噪声，根据上述速度场分析选取前风窗附近4个点进行压力监测，监测点位置如图13所示. 仿真过程收敛后监测3 000步，时间步长0.000 1 s，采样时长共0.3 s. 获得的各监测点处脉动压力，通过FW-H气动方程处理得到各监测点声压级，经过FFT转化之后得到各频率对应的声压级，如图14所示.
　　由图14可知，仿生非光滑结构对全频率段噪声的影响趋势基本一致. 但在600 ～5 000 Hz的中高频区域噪声变化更为明显，600～5 000 Hz属于人耳听觉敏感频率范围[14]，因此，仿生非光滑结构对中高频噪声的影响是本文研究的重点. 对比4个监测点处的声压级频谱图可以看出：在侧窗附近靠近A柱气流分离区设置的1、3监测点，声压级出现了不同程度下降，尤其是1监测点，降幅最大达到10 dB;在侧窗附近远离A柱区域设置的2、4监测点，声压级基本没有变化. 因此可以推断，由于仿生非光滑结构的应用，A柱分离区的气流脉动压力波动出现了明显下降. 是因为仿生非光滑结构能够加快稳定湍流场的形成，改善A柱气流分离区的气流随机波动，起到改善侧窗噪声的作用. 这与上文分析相符.
　　4.2.2   侧窗监测点斯特劳哈尔数
　　 图15 为4个侧窗监测点处斯特劳哈尔数（St），其中纵坐标为功率谱密度，横坐标为斯特劳哈尔数. St数表示每个监测点处的气流脉动频率. 分析4个监测点处的St，相较于原始模型，仿生非光滑模型在1、3监测点的气流脉动频率明显降低; 2、4监测点的气流脉动频率整体变化不大. 结合上文监测点处声压级的分析（1、3监测点处声压级降低，而2、4监测点处声压级变化不大）可以推断，气流的脉动频率是影响噪声水平大小的关键因素.
　　4.3   边界层流场特性
　　 边界层虽然很薄，但对流场的影响却至关重要. 仿生非光滑结构主要是通过对边界层作用，进而对整个流场产生影响来改善车身周围的流动. 如图16所示，在后视镜中面上方4 mm内的边界层内平行于地面均匀取4个平行面，依次命名为Z1、Z2、Z3、Z4（靠近后视镜平面为Z1），探讨边界层内这4个平面的流动.
　　图17为边界层内瞬时速度对比图，仿生非光滑模型边界层内的速度在整体上相较于光滑模型有一定程度的下降，稳定性较差，出现了一定程度的波动. 对比图18边界层内涡量图，仿生非光滑模型边界层内涡量有所增加，说明非光滑凹坑的应用会使边界层内速度梯度增大. 因此可以推断，仿生非光滑结构是通过降低边界层内流动稳定性，使湍流提前发生转变，促使涡垫效应的产生，进而改善整体流场的品质.
　　5   结   论
　　 1）仿真结果与实验结果具有较好的一致性，验证了k-ε模型与LES模型的准确性. 同时，仿真与实验结果显示外后视镜尾流区域存在较大负压，会导致回流和压力波动，是阻力和噪声增加的主要原因，这为汽车的气动减阻降噪优化提供了思路.
　　 2）后视镜处应用仿生非光滑结构，能够改善整车压力分布，同时降低侧窗附近气动噪声响度，对于整车的气动阻力和噪声都有积极的影响.
　　 3）仿生非光滑结构的作用机理主要体现在其对边界层流动的影响. 仿生非光滑结构能够降低边界层内速度场稳定性，提高边界层内涡量，在壁面形成低速涡，促使涡垫效应形成. 有利于减少来流能量损失，改善气流的脉动频率，对整车的气动阻力和气动噪声产生积极的影响.
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