0 前言
由于高速公路的發展，汽車車速的提高，人們對汽車的操縱穩定性、安全性與舒適性提出了越來越高的要求。汽車空氣動力學特性直接影響汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性和安全性。側風穩定性是汽車空氣動力特性的一個重要研究內容。高速行駛的車輛經常會遇到側向風的干擾。當側向風作用于車輛時，會使氣動力和氣動力矩發生變化，從而引起汽車行駛特性的改變，使車輛偏離正常的行駛方向。為了消除汽車的偏離運動，駕駛員要隨時轉動轉向盤，這將導致駕駛員疲勞，極易引起交通事故的發生。因此，為了保證行車安全，研究側風對于高速行駛車輛氣動特性的影響是非常必要的，對汽車的設計開發具有重要的指導意義。
隨著計算機技術和湍流理論的發展，計算流體力學被運用到汽車空氣動力學研究中。汽車外流場數值模擬就是利用數值模擬的方法對汽車行駛中的外流場進行分析，與傳統的研究方法結合，有效地改善汽車性能、節約研究資金、提高研究效率。
本文利用計算流體力學軟件STAR-CCM+對長安自主品牌汽車某車型進行了空氣動力學CFD計算，詳細分析了不同側風偏角下的汽車氣動特性，并與風洞試驗結果進行了對比，結果擁有良好的一致性，驗證了整車空氣動力學仿真分析的有效性和可行性。
1 理論基礎
控制所有流體流動的基本定律是：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由它們可以分別導出連續性方程、動量方程（又稱納維爾一斯托克斯方程）和能量方程。由它們聯立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組，N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規律。現在工程中應用最廣泛的是雷諾時均N-S方程。求解偏微分方程的數值方法主要分為有限差分法、有限元法及有限體積法3種。STAR-CCM+使用的是有限體積法。
2 建立計算模型
2.1 幾何模型
對車體表面及發動機艙內部進行適當的簡化處理，并對關鍵零部件進行不同程度的細化。幾何模型如下圖1所示，建立計算域如下圖2所示。
圖1 車體幾何模型
圖2 計算域
本文采用hypermesh進行幾何清理和劃分面網格，采用STAR-CCM+包面，remesh，劃分體網格和計算。在車體表面，底盤和發動機艙的不同區域采用不同的網格尺寸，有利于提高計算精度和計算的收斂性與穩定性。下圖3為中截面體網格分布，圖中所示對關鍵部分進行了加密處理。
圖3 中截面體網格分布
2.2 邊界條件
車輛在行駛過程中遇到側風的情形如圖4所示。圖中v1為側向風速，v2為車輛的行駛速度，VR為車速與側向風速的合成速度，側風偏角為V2與VR的夾角。入口速度和左壁面速度大小均為車速v2與側向風速v1的合成速度VR，速度方向與車輛模型間的夾角為側風偏角a。
如圖4所示，側風狀態下左壁面和車身前面為速度進口，右壁面和車體后面為壓力出口，其它為固壁。本文采用Realizable K-E湍流模型，壁面采用STAR-CCM+推薦設置-Two-Layer All y+Wall Treatment。
圖4 速度示意圖
3 計算結果及分析
側風進風口為車身左側（如圖4），本文分別模擬了整車側風偏角a為00，50，100三種狀態。圖5為車體前后表面壓力分布圖。由圖中可知，隨著側偏角a度數的增加，車體前臉右側正高壓區逐漸增加，左側壓力逐漸減小。尾部壓力隨著側偏角增加，而逐漸減小。
圖5 車體前后表面壓力分布
圖6 車體表面左右兩側壓力分布對比
從圖6可以看出，側偏角a為0，即汽車不受側風作用時，左右側面的壓力分布基本相同，左右側面壓差接近于零，即側向力也接近于零。隨著側風偏角的增加，車身左側面受到的壓力增大，升高的區域最先出現在前端，并向后發展，所以左側面壓力作用點更靠近車身前部。右側壓力作用點更靠近車身后方，所以車身會受到繞Z軸順時針方向的橫擺力矩的作用，從而不利于行車安全。
圖7 Z=0.4m截面速度分布圖對比
從圖6和圖7可以看出，在側風的影響下，部分氣流從車身左側經車頂流到車身右側。同時隨著側偏角的增大，尾部低速區逐漸向右側移動，車身左右兩側不對稱性增加，左右壓差增大，側向力也隨之產生。隨著側偏角的增大，兩側壓差變大，側向力也隨之增大，側向力系數升高。
4 計算結果與風洞試驗結果對比
基于試驗樣車的整車數據，對長安某車型進行了風洞試驗，獲得了0°，5°，10°偏角時的整車風阻系數Cd和整車側力系數Cs，并將其與CFD數值模擬計算結果進行了對比。
圖8 試驗與仿真結果對比
從圖8可知，在側風條件下，Cd的誤差在3%左右，計算誤差保持了一致性，表明數值模型在模擬Cd時，有很好的穩健性。同時，隨著側偏角的增大，阻力系數和側力系數均增大，其中，側力系數增大更為明顯，不利于汽車的穩定性和燃油經濟性。
5 結論
(1)從CFD計算結果和風洞試驗結果對比可知，在側風的作用下，側向力系數和升力系數都隨著側偏角的增大而增大，側向力系數增大更為明顯，側向力使車身受到橫擺力矩作用，影響行駛安全。
(2)利用CFD方法能很好的描述典型汽車外流場，并能合理地預測流場的主要特征。同時充分說明使用STAR-CCM+進行空氣動力學仿真具有實際的指導意義。
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本文標題：不同側風偏角下的汽車氣動特性模擬研究
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