万方数据
汽车工程２０１０年（第３２卷）第６期
运动而研究侧面气流的作用，其原理如图２所示，汽车以％行驶，车身一侧受到侧风的作用，图中￡为
车长，形为车宽。
图１稳态研究方法示意图
詈ｃ触，＋毒ｃ眺吩，＝一老＋毒ｐ丝ａｘｊ一艘ｊ７叶’）代
（２）
掣＋掣Ｏｘ＝如差一ｐ万）＋ｓ㈩
ａｆ
ｉ
ａ戈ｉ＼
ａ髫，
’
。’
／
式中：下标ｉ和＿『取值为１、２、３；ｐ为流体密度；“为速度时均值；ｕ’为速度脉动值；Ｓ为源项；厂为扩散系
数。
对于随时间动态更新的计算域网格，关于普通
标量的积分形式的守恒方程阳１为
昙Ｄ多ｄｙ＋Ｊ：尸西（聪一‰）ｄＡ＝Ｊ：，厂Ｖ训Ａ＋ｆｖＳ币ｄｙ
（４）
式中：少为普通标量；即为流体的速度矢量；球。为网
格的移动速度矢量；Ａ为网格的移动面积矢量；Ｓ巾为西的源项。
图２动态研究方法示意图
２
稳态数值模拟
稳态方法实现起来比较容易，是一种常用的研究方法”柚Ｊ，但是这种方法是基于相对运动原理，车身与气流之间的相互运动关系与实际汽车行驶中的状态有差别。动态方法真实地表达了车身与气流之
间的相互运动关系，与汽车实际行驶的状态相近，因此有必要将两种方法的研究结果进行对比，分析两种结果的流场分布和气动力系数等的差异，评价各
自的特点，为进行侧风研究时选用合理的研究方法
提供参考。
作者分别应用稳态和动态的数值计算方法对侧风作用下的汽车气动特性进行研究。动态数值模拟借助用户自定义函数（ｕ舱ｒ－ｄｅｆｉｎｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＵＤＦ）实现计算网格的动态更新，解决流场计算中的动边界问题，使车身壁面边界在流场中运动，更真实地模拟汽车行驶状况，求解汽车在运动过程中受到侧向气流的作用这一瞬态过程。并将两种方法所得结果进行对比，对其差异和各自的特点进行评价。
１控制方程
稳态数值模拟计算域如图３所示。长为１１Ｌ，其
中出口距车身尾部为８Ｌ，宽为９Ｗ，高为６倍车高。采用混合网格划分方案，车身周围区域内为多面体网格，车身表面为拉伸棱柱体网格，计算域的其它区域采用六面体网格进行划分，图４为ｚ＝０截面和车身表面的计算网格。
图３稳态数值模拟计算域
式（１）～式（３）为张量指标形式表示的流场控
翌耋凳篓燃续方程、Ｒｅｙｎ０１ｄｓ方程和标量咖
图４：：ｏ截面和车身上表面的网格
的时均输运方程＂ｊ。
“…。”…”１。。““””…“
警＋妄（眺）：ｏ
ａｌ
ａ鬈ｊ。
¨
计算选用基于压力的稳态耦合隐式求解器，湍流模型为Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ
ｋ－６模型，近壁区流场采用非平
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２０１０（Ｖ０１．３２）Ｎｏ．６王夫亮，等：侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究?４７９?
衡壁面函数进行处理，压力离散格式为Ｓｔａｎｄａｒｄ，动量、湍流动能和湍流耗散率离散格式为二阶迎风格式‘８１。为研究地面边界层效应，地面边界条件分为固定壁面和移动壁面两种情况；固定壁面各方向速度为０；移动壁面速度沿ｚ轴正方向大小为３０ｍ／ｓ，其它方向速度为０。人口速度ｔ，＝３０（ｃｏ印）～ｍ／ｓ，根据ｔＩ。＝ｖｃｏｓ口、‰＝ｖｓｉ唯可得卢、移。、ｌ，。和＂的对应关系见表ｌ。
表１稳态侧风卢、ｌ，。、ｌ，，和ｌ’的对应关系
∥（。）Ｏ３６９１２１５１８２１２４２７３０ｖ．／ｍ?８。ｌ３０３０３０３０３０３０３０３０３０３０３０
‰／ｍ?ｓ—ｌＯ１．５７３．１５４．７５６．３７８．０４９．７５１１．５１１３．３６１５．２９１７．３２∥ｍ．８一ｌ３０３０．０４３０．１７３０．３７３０．６７３１．０６３１．５４３２．１３３２．８４３３．６７３４．６４
３动态数值模拟
动态数值模拟的计算域设置见图２，计算域总高为６倍车高。计算域部分表面网格如图５所示。
图５动态数值模拟计算网格
动网格采用基于动态层模型的网格更新方法。当汽车向前运动时，计算域最后面的一层网格受到拉伸，厚度变大，当厚度变为原来的１．４倍时，这一层网格被划分为两层，分别等于原厚度和原厚度的４０％，并依此规律进行拉伸。计算域最前面的一层网格随汽车的运动厚度逐渐变小，当其厚度减小到原网格的４％时，被合并到下一层网格。这样依靠计算域前后两个边界上网格的压缩和拉伸实现整个计算域网格的动态更新和汽车的向前运动。
计算域侧风入口速度取表１中的‰值，共计算１１种工况。车身壁面速度由ＵＤＦ程序指定，沿石轴负方向大小为３０ｍ／ｓ，地面为固定壁面边界条件，出口为自由出流边界，其它壁面为对称边界条件。
计算选用基于压力的非稳态耦合隐式求解器，湍流模型为Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ｅ模型，离散格式设置与稳态计算相同，时间步长取Ａｔ＝Ｏ。００５ｓ。
４计算结果对比
４．１速度分布对比
图６为各横摆角下对应的稳态方法和动态方法的速度分布图。
图６各横摆角下ｚ＝Ｏ截面和车身表面速度分布对比万方数据
?４８０?汽车工程２０１０年（第３２卷）第６期
对于稳态模拟，由于车身是静止的，车身附近的
流场流速较低，而远离车身的流场流速较高。对于
动态模拟，流速分布刚好相反，由于车身是运动的，
车身附近的气流由于黏性的作用随着汽车向前运
动，远离车身区域的气流速度则较低。
没有侧风作用时（／３＝００），车身两侧的流场都呈
对称分布，在车身后方形成两个很长的拖拽涡。随
着侧风作用的增强，车身两侧的流场不再呈对称，差
别越来越大，车身后部的拖拽涡也逐渐消失，变成形
状不规则的涡。另外，还可看出对应的稳态和动态
情况下，车身周围流场中存在的涡的轮廓是非常相
近的，不同的是在稳态情况下涡的中心区域速度最
低，越靠近涡的边缘气流速度越高。而动态情况下
涡的流速分布恰恰相反，中心区流速最高，越向外流
速越低。分析认为原因在于车身尾部涡的中心区靠
近车身，涡流区的速度分布受车身表面速度的影响。
４．２压力分布对比
图７为各横摆角下ｚ＝０截面的静压力分布对
比。稳态模拟结果和动态模拟结果基本上相同，说
明两种研究方法所得结果具有较好的一致性。
当没有侧风作用时（届＝Ｏ。），车身左右两侧的压
力呈对称分布，因此理论上车身所受到的侧向力应
为０。当侧风作用增强时，左右压力分布不再对称，
车身左侧（迎风侧）压力升高，并且高压区位于车身
前部，这样将会导致侧向力作用点前移，使车身受到
横摆力矩的作用，并且横摆力矩的方向将使车头沿
侧风作用方向发生偏转，严重破坏汽车直线行驶能
力和行驶稳定性。
从图７中还可以看到随着侧风速度的增大，在
车身右侧的Ａ柱和车身左侧的ｃ柱区域出现了越
来越显著的低压区，这是气流在这些部位发生分离
所导致的，这两个低压区也会加剧横摆力矩对行驶
稳定性的影响。
４．３气动力系数对比
４．３．１数值模拟结果与试验值的对比
表２给出了无侧风（｜ＩＢ＝００）条件下气动力系数试验结果【９１和数值模拟结果的对比。由于在无侧风条件下侧向力系数ｃ。理论上应为０，所以只给出了表２无侧风条件下试验值与模拟值的对比稳态试验稳态模拟动态模拟
（固定地面）固定地面移动地面（固定地面）ＣＤ０．２９６００．２９７２０．３０３７０．２９７５Ｃ￡０．１７４９Ｏ．１８５ｌＯ．１５ｌ２０．１３４９
图７各横摆角下：＝０截面和车身表面压力分布对比
阻力系数Ｃ。和升力系数ｃ：．的结果。
固定地面的稳态数值模拟值和试验值吻合较好，其中ＣＤ偏差为＋０．４％，ｃ。偏差为＋５．８％，说明所采用的数值模拟方案达到了较高的计算精度。移动地面的稳态数值模拟和动态数值模拟得到的ＣＤ和ｃ。更接近，而且Ｃ。比固定地面的试验值和模拟值小，说明地面边界层对于升力有重要影响，消除地面边界层后，车身底部流速加快，压力降低，因此
升力减小。
万方数据
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侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究
作者：王夫亮， 胡兴军， 杨博， 傅立敏， Wang Fuliang， Hu Xingjun， Yang Bo， Fu Limin 作者单位：吉林大学汽车工程学院,长春,130022
刊名：
汽车工程
英文刊名：AUTOMOTIVE ENGINEERING
年，卷(期)：2010,32(6)
参考文献(9条)
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