安装环境对后视镜周围流动的影响

摘要

驾驶员通过附加在车辆侧边的后视镜可以清楚看到车辆的后方。当车辆行驶时，外后视镜周围的流场是高度三维的、非定常的、分离的和湍流的，这是气动噪声的一个重要来源，也是车辆上的总阻力的贡献因素 。而在所有对外后视镜周围流场的研究中，采用了不同的安装环境。 在大多数研究中，外后视镜都是安装在量产车上，呈现真实情况，也可以安装在风洞地面、专门设计的工作台或基于SAE车型的通用车型上。但外后视镜周围的流场与安装环境的关系不是很清楚 。

将开源汽车模型DrivAer用作基准工况。同时，将DrivAer车型的外部后视镜也安装在SAE车型以及一个设计的桌子上，加上单一的镜子一同作为对比工况。 采用RANS-LES混合方法(DES)对汽车外后视镜周围的时间平均流场和非定常流场进行了研究。当外部后视镜安装在真实的汽车模型上时，迎风气流被加速和偏转。  旋涡脱落存在于近尾迹，远尾迹形成逆时针旋转结构。 在其他三种对比情况下，时间平均流场和非定常流场都是不同的。 并分析了安装环境对外后视镜周围流场的影响。

引言

汽车外后视镜是汽车最重要的附加设备之一。 它的主要功能是允许司机清楚地看到车辆的后方。在未来几年里，传统的反光镜将是用于后视的主要方法，而世界上的汽车法律都不允许使用光电系统来代替传统的反光镜。

外后视镜周围的流场具有高度三维、非定常、分离和湍流的特点。众所周知，典型量产车的外后视镜尾迹的非定常流场是气动噪声的重要来源，也是车辆总阻力的贡献因素。研究表明，外后视镜尾迹的非定常流场也会导致后视镜玻璃的振动，从而影响外后视镜的有效后视镜视野。

外后视镜周围的尾流结构已经进行了广泛的研究。 在早期尾流中，沿镜壳上下边缘发现了一个交替的涡，在下游也发现了一个类似于尖涡的涡包。研究表明，在镜面跨度的一半距离范围内，出现了再循环区域，并且固有涡旋以19.6 Hz的频率脱落 ， 同时也表明形成了锥形包络。

而在所有对外后视镜周围流场的研究中，采用了不同的安装环境。 研究人员对安装在一辆生产车上的外后视镜周围的尾流结构进行了实验研究。实验在开路风洞中进行，利用热线风速仪和二维激光多普勒测速仪捕捉尾流结构。这种安装环境是最精确的，也是最贵的，它需要一个全尺寸的风洞。 在较小的风洞中，实验在地面上安装了一个真实的外部后视镜，研究人员测量了安装在风洞地面上的一个全尺寸侧镜周围的压力场 。通用汽车公司对安装在小型风洞地面上的两个外后视镜后的非定常流场进行了表征实验，采用PIV和动压系统。当侧镜安装在地面上时，地面的边界层会影响镜周围的流场。 为了避免风洞地板上有明显的流动边界层，以及方便安装流量和噪音测量仪器，该反射镜被安装在声学风洞内一个特别设计的工作台上。用安装在风洞试验段中部的实尺寸反射镜和安装夹具对车体架相互作用引起的噪声增大进行了实验研究。采用基于SAE 4型(边后卫)的通用车型对A柱和侧镜气流引起的风噪声进行了研究 。侧镜安装在一个全尺寸的SAE模型上。通用模型足够简单，可以排除多余的偏差，保持与车身的相互作用。

外后视镜周围流场与安装环境有关。 本文的目的是研究安装环境对汽车外后视镜周围流场的影响。 本文将外后视镜分别安装在量产车型、SAE车型、特殊设计的工作台和无后视镜车型上。采用RANS-LES混合方法(DES)对汽车外后视镜周围的时间平均流场和非定常流场进行了研究。

模型设置

基准模型

引入了一种新的通用DrivAer模型，以缩小高度简化模型和高度复杂的量产车之间的差距。 它由三种汽车配置组成，即阶背, 快背和斜背，如图1所示。 每一种配置都有几种变体，如有或没有镜子和车轮，有或没有光滑和详细的底盘。CAD几何图形可供研究人员使用，并已进行了实验研究。  目前的研究重点是围绕前侧窗的流动结构。带有侧镜和车轮的斜背式驾驶员模型被选为基线模型。使用没有详细的特征的底盘和固定的地板。

图 1 . DriAer 模型不同车型

对比模型

本研究选择了三个对比模型，分别是SAE模型、特别设计的桌子和单一镜体模型，如图2所示。对比模型中使用DrivAer模型的镜体。对于SAE车型，镜子安装在SAE 4型车型上，其位置参考先前的研究 。对于桌子模型，镜子垂直安装在一个特别设计的桌子上，桌子的边缘需要空气动力学形状，以减少或消除非镜子相关的流动结构。最后一个对比模型是一个只有镜子的模型，它是悬在空中，没有任何近体。为了简化模型并节省计算资源，我们去掉了所有的支持组件。 

图 2. 对比模型：SAE, 桌子, 单一后视镜

计算设置

湍流模型方法

计算流体动力学(CFD)是目前汽车行业最重要的设计工具之一。 计算资源和商业软件现在都足够成熟，可以处理汽车设计中常见的复杂几何图形。 一般来说，在移动汽车周围的流场中可以区分两种类型的流动分离。首先，气流可以在引擎盖的前缘、挡泥板的两侧、挡风玻璃的前部和车辆的后部等边缘分离。 第二种分离是围绕A柱和C柱的三维分离。研究表明，DES在力系数、压力系数分布和三维流动特征捕获方面比RANS模型具有明显的优势。本研究选择DES模型。

DES是一种RANS-LES混合方法，它试图通过只在RANS模型具有挑战性的流动区域使用LES，在准确性和计算费用之间提供一个折衷方案(例如分离流)，但是在其他地方使用RANS模型。本文使用的时变IDDES(基于SST模型)增加了附加功能来屏蔽附加RANS边界层从LES模式的不正确激活，以及墙模型LES能力，允许边界层的一些被LES解析，并快速过渡到已解析的湍流。本文的所有模拟都采用了相同的湍流建模方法。

计算网格和边界条件

计算域大小为11L (L为汽车长度)×11W (W为汽车宽度)× 8H (H为汽车高度)，域和汽车示意图如图3所示。在域的开始处(车上游4L处)设置速度入口条件，流速U = 40ms−1(基于L = 1.85, Re = 4.71×106)。 进口边界的湍流用强度和粘度比分别为1%和20来表示。在汽车尾部下游6L处施加0表压的压力出口条件。区域的各侧壁和顶壁均施加滑移壁条件 。地板设置为无旋转车轮的防滑状态，以匹配实验非地面模拟情况。车辆和反射镜的表面也采用了防滑壁边界条件。 

图 3. DriAer计算域尺寸

图 4. 用于DES计算的DrivAer前窗区域以及尾部区域的网格

表 1. 网格类型以及分辨率

计算网格的拓扑结构是切边体，它在边界处包含棱柱层，在域的其余部分是一个完美的六面体网格，通过剪切将棱柱层与六面体网格连接。 所得到的网格主要由六面体单元组成，在其表面旁边有修剪过的单元。 切边体是多面体，但通常可以被识别为有一个或多个角和/或边被切断的六面体细胞。 初始的曲面网格是三边的，最终的曲面网格几乎是四边形的，这是体积单元的投影。 棱柱层也是六面体，其向核心细胞的转变受体积生长速率的控制。如图4，生成的用于DES计算的三种网格，相关细节如表1。每个网格在边界层中被细化，以允许运输方程在墙壁的整合，因此确保在汽车上无量纲墙壁距离，y+ < 1。近壁网格有20个棱柱层单元，以确保边界层被很好地捕获。细化区域围绕前侧窗和汽车后部。所有对比情况均采用裁剪网格策略，并在后视镜区域进行细化。 

数值验证

参考已发表论文的实验结果对数值方法进行了验证。阻力系数的结果见表2，压力系数见图5、6和7.  网格敏感性研究表明，从粗到细，Cd呈不断增加的趋势，与实验数据的平均百分比差异均小于3%。 图5、图6、图7三种网格的压力系数线基本重合，与实验数据接近。 湍流粘度比vt/v可以被认为是SGS(模拟湍流)对整体耗散水平贡献的度量。 这个值随着网格细化而减小，如图8所示。 中间网格箱的湍流黏度比在前窗区域小于20，足以进行本研究。本文所有模拟均采用中间网格方案。

表 2.  每个网格的阻力系数以及与实验数据的平均差异百分比。

图 5. 每种网格斜背车顶部平均压力系数

图 6. 每种网格斜背车底部平均压力系数

图 7. 每种网格斜背车侧面平均压力系数

图 8.  三种网格前窗区湍流黏度比

结果

坐标系

为了描述外后视镜周围的流场并比较不同情况，建立了如图9所示的坐标系。最初的点被设置在镜子的中央和后面。后处理分为X、Y、z平面的点、线、面。

图 9. 用于分析的坐标系

DrivAer模型

时均流场

迎风气流

如图10所示，进近流在z面和y面都发生了偏转。 远近流的u-速度大于自由流的u-速度，在靠近反射镜处减小，在反射镜边缘处加速，如图11和13所示。迎风气流远离镜在z面偏离车身，在y面向下俯仰，如图12，14所示。偏斜和加速都表明着A柱涡的存在。前侧窗附近的流场主要由A柱涡和外后视镜决定。反射镜的堵塞效应会引起反射镜周围的流动偏转和加速，并产生与车身相互作用的尾流。

图 10.  z=0和y=0平面的平均迎风流动:速度矢量和速度大小着色的流线

图 11.  z=0平面上的无量纲平均速度u(y * = y/D)

图 12.  z=0平面沿直线的平均偏航角(y * = y/D)

图 13.  在y=0平面上沿直线的无维平均u速度(z * = z/D)

图 14.  y=0平面上直线的平均俯仰角(z * = z/D)

尾流

时间平均尾流结构如图15所示。 镜面尾迹与有限长度圆柱的尾迹很像但不一样，其长度为1.5D (D为镜面特征长度，定义为镜面垂直方向的长度)。 在y面捕获到一对非对称旋转流动结构，在z面捕获到两个旋转流动结构。 与有限长度圆柱相比，反射镜与进流的夹角较小，且在反射镜边缘呈流线型，导致了较大的尾流区域和延迟的下洗流。

图 15.  z=0和y=0平面的平均尾流结构:速度矢量和以速度大小着色的流线

如图16所示，沿x方向在平均尾流中形成了两个反向旋转的流动结构。 下游以逆时针旋转流为主，认为这是A柱涡旋和下冲流共同作用的结果。 

图 16. DrivAer模型在X平面平均流动结构：速度矢量和以速度大小着色的流线(x * = x/D)

瞬时流场

分别记录在三条直线上的6个点上的瞬时速度u，如图17所示。在每个测量点，以2千赫的采样率获得1850个速度数据。采用快速傅里叶变换(FFT)算法计算速度u的功率谱密度函数Eu、或两个同时捕获的速度信号之间的谱相位Φ。

尾迹中捕获的特征无量纲频率约为0.2，接近二维圆柱体测量的涡脱落的斯特劳哈尔数，大于有限长圆柱体测量的斯特劳哈尔数。图18和图19中结果显示证实了在尾流下游存在交替的涡脱落。细节如图20所示，在近尾迹处有一个较大且相对稳定的剪切层。

图 17.  镜面尾迹测得u速度的功率谱密度函数

图 18.  在镜面尾迹测得的两点速度u之间的互谱密度函数。

图 19. 后视镜尾流两测量点速度信号之间的谱相位Φ

图 20.  DrivAer模型由压力系数着色 的瞬时涡结构

对比模型

图21为对比模型的外后视镜区域湍流粘度比。 如上所述，它可以被认为是足够的调查。 由于安装环境的不同，表3所示的镜前区域有一些差异。 而外后视镜安装的阻力和Cd最大，其次是SAE车型。

图 21.  对比模型后视镜区域湍流黏度比

表 3. 对比模型后视镜阻力、前脸面积以及阻力系数

时间平均流场

迎风气流

从图22、24、25和27可以看出，安装在桌面的模型和只安装了镜面的模型在Z和Y平面上几乎都没有迎风流动。SAE安装模型与DrivAer模型有相似的迎风流动。尽管SAE安装模型迎风流动与DrivAer模型类似， 偏移和加速的大小还是有区别的。

图 22.  对比模型z=0平面的平均迎风流动:速度矢量和速度大小着色的流线

图 23.  对比模型沿z=0平面线的无量纲平均速度u(y * = y/D)

图 24. 对比模型沿z=0平面的线的平均偏航角(y∗= y / D)

图 25.  对比模型沿y=0平面线的平均迎风流动:速度矢量和流线着色速度大小

图 26.  对比模型沿y=0平面线的无量纲平均速度u(z * = z/D)

图 27. 对比模型沿y=0平面线平均俯仰角(z*=z/D)

尾流

与迎风流动类似， DrivAer和SAE安装的模型具有相同的时间平均尾流结构，但在细节上有一些差异，如图28和图29所示。 安装在桌面的模型的平均尾流完全不同，增大的尾流区在z=0平面和y=0平面分别包含一个主导的旋转流。单一后视镜模型在y=0面和z=0面有一对不对称旋转流，这与安装DrivAer模型不同。

图30为SAE模型x平面平均尾流结构。 与图16相比，与DrivAer模型相似，SAE模型在下游尾流中以逆时针旋转流动为主。安装在桌面的模型的尾流结构具有一对近似于有限圆柱尾流的对称反向旋转流动结构，如图31所示。单一后视镜模型的尾流流型非常复杂，有三种以上的旋转流，这被认为是由于镜和支板形状不规则造成的。

图 28.  对比模型z=0平面的平均尾流结构:速度矢量和速度大小着色的流线

图 29.  对比模型y=0平面的平均尾流结构:速度矢量和速度大小着色的流线

图 30.  SAE模型x平面平均尾流结构:速度矢量和速度大小着色的流线(x * = x/D )

图 31.  安装在桌面的模型的x平面平均尾流结构:速度矢量和速度大小着色的流线(x * = x/D)

图 32.  单一后视镜模型的x平面平均尾流结构:速度矢量和速度大小着色的流线(x * = x/D)

瞬时流场

从图33、34、35和36可以看出，所有对比车型的外后视镜瞬时尾迹中都存在无量纲特征频率。 除SAE模型的无量纲特征频率为0.176外，其余特征频率均接近0.2。图36中，单一后视镜模型中P6以及Q6点的速度u的普相位小于π，这意味着涡旋脱落与其他三种模型不一样。图37直观地显示了瞬时尾流，其中DrivAer模型和SAE模型的流动结构近似， 安装在桌面的模型的下游尾流剪切层增大和涡脱落，而mirror-only模型的流动结构复杂且不规则。

图 33. DrivAer模型中P、Q线上点速度u的互谱密度函数以及P6、Q6点速度的谱相位

图 34. SAE模型中P、Q线上点速度u的互谱密度函数以及P6、Q6点速度的谱相位

图 35. 安装在桌面的模型中P、Q线上点速度u的互谱密度函数以及P6、Q6点速度的谱相位

图 36. 单一后视镜模型中P、Q线上点速度u的互谱密度函数以及P6、Q6点速度的谱相位

图 37.  对比模型用压力系数着色的瞬时涡旋结构

结论

采用RANS-LES混合方法(DES)对汽车周围流场进行预测。 气动阻力和压力系数与实验数据吻合较好。 详细分析了后视镜周围的流场。结果表明，该方法具有良好的气动和气动声学效果。

然后，研究了安装环境对后视镜周围气流的影响。 结果表明，DrivAer车型的外后视镜周围流场与其他三种对比车型不同: SAE模型、安装在桌面的模型和单一后视镜模型。在量产车工况(DrivAer模型)下，后视镜靠近流动发生偏转和加速，认为这是受A柱涡的影响。镜面尾迹中存在与二维圆柱体斯特劳哈尔数相等的旋涡脱落现象。在所有对比模型中，SAE模型的外后视镜周围流场与DrivAer模型的流场最相似，且尾流中涡脱落频率较小。  对于安装在桌面的模型和单一后视镜模型，外后视镜周围的流场与量产车完全不同。 本研究提出研究建议:研究外后视镜周围流场时，应将后视镜安装在量产车(或类似量产车的车型)上，SAE车型可作为备选方案。

文章来源：Yuan H, Yang Z, Li Q. Effects of installation environment on flow around rear view mirror[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 2017, 10(2017-01-1517): 580-590.