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基于偏置网格的汽车模型靠近侧壁空气动力学计算研究
2021-09-24 19:12:37· 来源：AutoAero
摘要本文讨论了一种使用瞬态计算流体动力学（CFD）方法模拟靠近侧壁移动的通用理想化汽车模型（Ahmed车身）的方法。本研究试图通过采用非传统CFD方法来模拟真实
摘要
本文讨论了一种使用瞬态计算流体动力学（CFD）方法模拟靠近侧壁移动的通用理想化汽车模型（Ahmed车身）的方法。
本研究试图通过采用非传统CFD方法来模拟真实世界的流动现象，该方法将车身相对于静止的周围流体和侧壁进行平移，而不是使空气流过静止车辆模型的经典方法。这是通过使用一种相对较新且计算效率高的网格划分技术来实现的，称为“重叠”（Overset）或“嵌合体”（Chimera）网格。主要的任务是准确预测 25°倾斜角Ahmed体模型后斜面上的流动。之前的研究努力使用涡粘性湍流模型来实现足够准确的预测，在本研究中，使用修正闭合系数的Menter剪切应力传递（SST）湍流模型来准确预测初始分离剪切层中的流动特性和后斜面上的流动再附着。与现有文献中所见的孤立的25°倾斜角Ahmed体的涡粘性 CFD模拟相比，本文中提供的结果在整体空气动力学特性方面与实验结果具有明显更好的相关性。壁面接近度研究表明壁面的存在对车身的整体空气动力学特性有很大的影响。与实验研究相比，虽然两者表现出相似的趋势，但实验结果与 CFD 预测结果之间存在显着差异，随着车身接近墙壁，这种差异往往会恶化。这些差异可归因于这样一个事实，即与实验实施相比，侧壁周围流动的 CFD 模拟更加真实。
1.计算细节
1.1几何和网格
本文讨论了一种使用瞬态计算流体动力学（CFD）方法模拟靠近侧壁移动的通用理想化汽车模型（Ahmed车身）的方法。
本研究试图通过采用非传统CFD方法来模拟真实世界的流动现象，该方法将车身相对于静止的周围流体和侧壁进行平移，而不是使空气流过静止车辆模型的经典方法。这是通过使用一种相对较新且计算效率高的网格划分技术来实现的，称为“重叠”（Overset）或“嵌合体”（Chimera）网格。主要的任务是准确预测25°倾斜角Ahmed体模型后斜面上的流动。之前的研究努力使用涡粘性湍流模型来实现足够准确的预测，在本研究中，使用修正闭合系数的Menter剪切应力传递（SST）湍流模型来准确预测初始分离剪切层中的流动特性和后斜面上的流动再附着。与现有文献中所见的孤立的25°倾斜角Ahmed体的涡粘性CFD模拟相比，本文中提供的结果在整体空气动力学特性方面与实验结果具有明显更好的相关性。壁面接近度研究表明壁面的存在对车身的整体空气动力学特性有很大的影响。与实验研究相比，虽然两者表现出相似的趋势，但实验结果与CFD预测结果之间存在显着差异，随着车身接近墙壁，这种差异往往会恶化。这些差异可归因于这样一个事实，即与实验实施相比，侧壁周围流动的CFD模拟更加真实。
图1 Ahmed模型示意图（单位：mm）
本文中介绍的工作通过保持空气和墙壁静止，同时为车辆提供平移运动来克服这种差异。这种方法不同于传统的实验和CFD工作，在传统的实验和CFD工作中，车辆保持静止，同时空气吹过它。这是通过使用重叠网格划分技术来实现的。其中重叠区域内的网格在静止的背景网格中移动。重叠区域内的对象可以单独平移和旋转，具有六个自由度。
在本研究中，独立Ahmed位于重叠区域内，并相对于时间以恒定速度移动。将侧壁和虚拟风洞作为背景区域进行网格剖分。使用包含主体和局部网格细化的不对称重叠区域来确保侧壁与尺寸恒定的单元格相互作用，而不管壁面分离如何。由于使用重叠网格的数值模拟需要在重叠区域和背景区域之间进行插值，因此位于重叠区域和背景区域界面层的单元格大小应大致相同，以减少所谓的重叠区域插值误差。此外，由于已知几何周围的流动具有分离的流动区域，因此向几何中添加了尾流细化。在整个域中使用修剪单元，六面体单元，每个细化从目标表面生长2个数量级，棱镜层仅存在于Ahmed、重叠地面和侧壁，以捕获附近的高梯度近壁气流。表1给出了最终的网格参数，这些参数是在使用各种其他设置进行迭代后确定的。
表1 网格参数值
重叠网格划分是使用软件中的自动网格划分操作完成的，生成的网格具有非结构化网格，并在重叠区域进行尾流细化。对于最初的墙体接近情况，侧壁被放置在第一个间隔距离处，这是墙体和主体之间的最小间隔距离。在初始网格划分之后，重叠网格区域在运行模拟之前被转换到所需的位置；这个过程不需要任何重新网格划分，因为overset方法将在重叠-背景接口初始化期间考虑移动。这是重叠网格相对于标准网格方法的另一个优点，在标准网格方法中，整个域将在车身的每次运动后重新网格化。有关网格详细信息，请参见图2和图3。
图2 网格正视图，W代表侧壁，A代表Ahmed模型，重叠网格区域用红框示意
图3 俯视图：靠近侧壁的网格放大图，底部视图：放大的尾流细化区
1.2初始和边界条件
与Ahmed正面相对的虚拟风洞面的速度入口边界条件为0m/s。Ahmed背面的面用作压力出口，以消除由溢流区运动引起的压力波动。地面和侧壁用作防滑墙。这意味着地面和侧壁相对于流体被认为是静止的。域的所有其他面都设置为零梯度边界。该域中的流体特性是平均海平面处空气的特性（ρ=1.205kg/m3，动态粘度μ=1.82×100-5N·s/m2）。主体和重叠网格沿-X方向以25 m/s的恒定速度移动，以模拟与Strachan等人[1,2]的实验风洞速度条件密切匹配的真实世界场景。
2.结构和讨论
2.1独立Ahmed车身
独立Ahmed车身模拟首先使用Menter的SST k-ω湍流模型的默认公式运行，据观察，正如预期的那样，这未能正确预测后倾斜上的重新附着。然后根据 Zhang等人调整闭合系数[3]。经过一些反复试验，闭合系数更改为σω1 =1.0、σω2= 1.712 和 β*= 0.07。随后使用3毫米、2.4毫米和1.8毫米基本尺寸体积网格在不同级别的网格细化下进行测试。
阻力(Cd)和升力(Cl)系数的网格相关性结果在表2中给出，表2显示了空气动力学预测对网格尺寸的显着依赖性，尤其是在最粗的网格中。由于在2.4毫米和1.8毫米网格划分方案的预测之间观察到的变化很小，因此在本工作的其余部分使用2.4毫米网格划分方案以提高计算效率。
表2 URANS模拟的网格敏感性分析，在重叠区域进行了三个网格细化
为了评估SST模型当前公式的预测准确性，将当前研究和一些被广泛引用的论文中的阻力和升力值与Strachan等人的实验进行了比较[4]，在表3和表4中。可以看出，SST模型闭合系数的微调导致力预测与实验研究更相关。虽然预测的车身阻力与实验工作几乎完全相同，但车身的升力稍微高估了，但与之前的CFD研究相比，预测的相关性仍然要好得多。然而在作者看来，对于这项研究，流场预测更为重要，因为当车身靠近壁移动时，正确预测的流场将更好地预测流动相互作用。因此，与相关性良好的流场预测相比，整体升力的轻微高估没有那么重要。
表3 独立Ahmed模型的Cd值比较
表4 独立Ahmed模型的Cl值比较
图4和图5分别显示了后斜面上的压力和速度分布。使用SST模型的当前实现获得的预测压力系数Cp分布与实验数据非常相关。虽然可以看到一些分歧，但后倾斜压力系数的总体趋势与实验观察到的一致，并且比默认的 SST 有了很大的改进。边缘压力较低表明存在侧涡，虽然比 Strachan 等人更大[3]，与Lienhart等人一致[5]，为简洁起见，这两个来源的数据在随后的图中分别标记为“Strachan”和“Lienhart”。然而，CFD预测的和实验测量的后倾斜压力系数分布之间最显着的区别是CFD未能捕捉到压力分布的凹面特性。在这一点上，作者对此没有令人信服的解释，这留待以后的调查。与实验数据相比，图5中的速度场景显示了对后倾斜附件的高估。然而，与默认模型相比，这种过度预测很小，并且没有通过更多的系数调整得到进一步改善。因此，这种差异被注意到并被认为是由k-ω SST已知的对 TKE 的过度预测造成的，导致沿后斜面的流动附着过多。
图4 CFD 预测的Cp分布在后斜面上与Strachan等人的LDA数据的比较
图5 CFD和Strachan等人的实验的归一化流向速度 (U/U∞) 等高线图（y/L = 0 平面上）
图6和图7显示了在 x/L = 1.077 和 z/L = 0.162处归一化U和W速度分量的展向速度分布。与Strachan等人 [4]和Lienhart等人[5]的实验相比，在U速度剖面上，可以看出，当前的研究表明，后斜面中心线上的压力恢复预测略高。然而，速度剖面的总体趋势与两个实验工作都显示出良好的一致性。W速度分量与实验数据显示出非常好的相关性，变化完全在可接受的误差范围内。
图6 x/L = 1.077、z/L = 0.162时，CFD 预测和归一化 U 速度的实验结果的比较
图7 x/L = 1.5，z/L = 0.102 时，CFD 预测和归一化 W 速度的实验结果的比较
2.2Ahmed近壁研究
侧壁接近研究是用四个壁间隔距离进行的，类似于Strachan等人的实验研究中使用的那些[4]; 为简洁起见，Strachan等人的这项工作[1]将在接下来的数字中标记为Strachan。这些间隔距离示意性地显示在图8中。请注意，该实验与当前CFD方法之间最显着的区别在于模拟侧壁的方式。Stachan实验中车辆和侧壁在实验中都保持静止，同时空气吹过它们；本文介绍的CFD模拟中，空气和侧壁在车辆移动时保持静止。
图8 与 Ahmed 边缘的壁分离示意图
本节中的结果将与Strachan等人的实验测量结果进行比较[4]。图9和图10显示了阻力和升力系数变化相对于孤立情况的壁分离依赖性。此图中的壁间距YW和所有后续图均由Ahmed体长L归一化。这些图还包含来自Strachan等人的实验数据[1]。显然，CFD预测的升力和阻力变化显示出与实验中观察到的趋势相似的趋势。然而，阻力和升力变化的幅度，特别是阻力变化ΔCd非常不同。这意味着模拟侧壁的方式会对结果产生重大影响。虽然在最小的侧壁间隔下，实验显示阻力变化为22%，但CFD预测阻力变化仅为6%。此外，CFD显示了分离距离YW/L≈0.3时独立Ahmed体的返回，实验数据的趋势表明，当它到达独立体阻力时，至少会是YW/L≈0.45。然而有趣的是，对于CFD和实验，ΔCd随侧壁分离距离呈准线性变化，尽管实验的斜率更高。
图9 相对于独立情况，阻力变化对标准化壁间距 YW/L 的依赖性
图10 相对于独立情况，升力变化对标准化壁间距 YW/L 的依赖性
实验中阻力增加的更大是静态侧壁上边界层的增加和在风洞中安装用的杆件导致的。显然，本研究中使用的CFD建模方法不受这两种因素的影响。这两个附加边界层的相互作用被认为会更快地加速主体和侧壁之间的流动，从而产生更大的阻力。在 Strachan的[6]工作中，还注意到连接到车身的支撑顶刺对后斜面上的流动有一些影响，这也可能在阻力增加中起作用。当车身靠近壁时，离壁最近的涡流减弱。涡流使流附着在后倾斜角上，据信这种减弱与刺的负面影响相结合可能会在实验中导致更多的后倾斜分离，从而导致实验工作中的更多阻力。此外，在Strachan等人[4]的研究中添加了侧壁，显着增加了有效风洞堵塞率。
实验和当前CFD模拟的ΔCι与壁分离如图10所示，显示出非常相似的趋势，并且与阻力变化相比，实验和CFD之间的差异略小。
图11显示了侧向力系数(CZ)对壁分离的依赖性。CFD结果显示出与Strachan等人的实验结果非常相似的趋势[4]。请注意，由于主体是对称的，在独立Ahmed的情况下，净侧向力为零，因此绘制侧向力的变化没有意义。就像在阻力中观察到的趋势一样，实验表明，随着接近壁面，侧向力的增加幅度更大。这种差异再次归因于导致阻力预测不一致的相同原因。另一个显着差异是，CFD显示壁对侧向力的影响在YW/L≈0.4的间隔下可以忽略不计，而实验显示衰减更慢，需要更大的壁间隔才能实现隔离车辆值。
图11 侧向力系数 (CY) 与壁间距 (YW/L) 的相关性
随着接近壁，侧向力的增加可归因于车身和壁之间的速度增加，这在壁和与壁相对的车身表面之间产生吸力效应。这导致朝向墙壁的净压力。然而，当流动在车身的侧面和侧壁上向后移动时，边界层在这两个表面上不断增长。结果，这两个不断增长的边界层之间的流动被加速得更多，本质上类似于有利的压力梯度流动。随后，与车身前部相比，后部的吸力要高得多。如图12所示，这将产生围绕车辆中心的正偏航力矩。这会导致车辆的前部被推离墙壁，而后部被拉向墙壁。然而，由于CFD模拟不允许边界层在侧壁表面上生长，因此这种影响不太明显。再一次，虽然数据的幅度不同，但数据的趋势显示出良好的一致性。这两个结果显示出随着车身远离墙壁移动的下降趋势，并且在YW/L ≈0.3附近收敛到几乎相同的值，其中墙壁的影响非常低。
图12 偏航力矩系数 (CN) 变化对壁间距 (YW/L) 的依赖性
在分析俯仰力矩时，如图13所示，数据再次显示出不同幅度的类似趋势，差异再次来自侧壁模拟。当车身靠近墙壁时，曾经流过车身侧面的空气由于墙壁的存在而被迫流过车身。这会导致更高的体积和更高的速度流过机身顶部，从而产生更高的升力（见图 10）。由于在侧壁和主体上都形成了边界层，这为流体通过之间形成了较小的间隙。因此，与两个边界层之间的间隙更大的车身前部相比，更多的空气被迫流过车身的后部。后斜面上快速流动的空气的增加导致后斜面上出现较低的压力，因此增加了车身后部的升力，从而导致更高的俯仰力矩。
图13 俯仰力矩系数 (CM) 与壁间距 (YW/L) 的相关性
总结
URANS模拟基于Menter的SST k-ω湍流模型的标准实现，使用默认模型系数，无法正确预测具有挑战性的独立25°倾斜角Ahmed车身的空气动力学行为。
与文献中发现的CFD研究相比，当前使用SST湍流模型和修改后的湍流模型闭合系数的 URANS 模拟似乎对空气动力学特性（如独立 25°倾斜的阻力和升力系数）产生了相当好的预测Ahmed。此外，与现有文献中所见相比，预测的流动参数（例如速度分量和压力）与其实验对应物显示出更好的相关性。
基于重叠网格的CFD模拟能够以负担得起且可靠的方式复制靠近侧壁驾驶的真实世界场景。与现有文献中的研究相比，无论是在CFD模拟还是风洞实验方面，这是模拟现实世界的明显更好的方法。
侧壁对车体在履带上的整体空气动力学特性有显着影响；当接近墙壁时，空气动力学行为的变化幅度几乎呈线性变化。在0.5的归一化间隔时，力系数恢复为独立体值。然而力矩系数显示壁距依赖性对于较大的壁间距持续存在。
部分参考文献
[1] Strachan,R.K., Knowles, K., Lawson, N.J., and Finnis, M.V., “Force and MomentMeasurements for a Generic Car Model in Proximity to a Side Wall,” Proceedingsof the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of AutomobileEngineering 226(10):1352-1364, 2012.
[2] Strachan,R.K., “The Aerodynamic Interference Effects of Side Wall Proximity on a GenericCar Model,” PhD thesis, Cranfield University, 2006.
[3]Zhang, C.,“On Fine Tuning the SST k - ω Turbulence Model Closure Coefficients forImproved Prediction of Automotive External Flows,” in ASME 2018 InternationalMechanical.
[4] Strachan,R.K., Knowles, K., and Lawson, N.J., “The Vortex Structure behind an AhmedReference Model in the Presence of a Moving Ground Plane,” Experiments inFluids 42(5):659-669, 2007.
[5] Lienhart,H., Stoots, C., and Becker, S., “Flow and Turbulence Structures in the Wake ofa Simplified Car Model (Ahmed Model),” in New Results in Numerical andExperimental Fluid Mechanics III (Berlin, Springer, 2002), 323-330.
[6] Menter,F.R., Kuntz, M., and Langtry, R., “Ten Years of Industrial Experience with theSST Turbulence Model,” Turbulence, Heat and Mass Transfer 4(1):625-632, 2003.
文章来源：Bounds, C., Mallapragada, S., and Uddin, M., "OversetMesh-based Computational Investigations on the Aerodynamics of a Generic CarModel in Proximity to a Side-Wall," SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech.Syst. 12(3):211-223, 2019. DOI:10.4271/06-12-03-0015.
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