通过数值仿真分析非光滑表面的减阻特性

目前，汽车空气动力学的气动阻力特性优化主要通过车身的流线形化和局部改进等方法来实现，由于这些方法研究日益成熟，降低阻力的空间越来越小，汽车减阻进入一个瓶颈期。近年来，基于工程仿生学理论的凹坑型非光滑表面结构的减阻研究迅速发展。其中最典型的应用便是高尔夫凹坑球面。高尔夫球在飞行过程中由于凹坑的存在使空气形成的边界层紧贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多往后走一些，延迟了边界层与球体的分离，减小了尾流区，减少了前后的压差阻力，从而使凹坑型球面的高尔夫球比光滑球面的高尔夫球飞得更远。

受其启发，这里将凹坑型非光滑表面运用在Ahmed模型上，并通过CFD数值仿真，研究其减阻效果。

几何模型



Ahmed模型

α=25°，L=1044mm，W=389mm，H=288mm，E=222mm，G=50mm，Φ=30mm


非光滑表面

其中，T为两凹坑的横向距离，V为两凹坑的垂直距离，S为凹坑的深度，D为凹坑的宽度

网格

整车计算域为一围绕车身的长方体，入口距模型前端2倍车长，出口距模型后端8倍车长，总高度为1400mm，总宽度为1870mm。采用ANSYS ICEM CFD软件生成非结构化的六面体网格，在车身凹坑非光滑处理的表面上进行网格加密，以便更加准确地获取所需的流场信息。在进行网格收敛性计算后，该仿真总的网格数约为400万。



计算域



表面网格

湍流模型和边界条件

当前研究的是时均流场，采用realizable k–ω 模型，利用商业仿真软件FLUENT (version 14.0)进行仿真计算。
计算域入口设置为速度入口边界，速度为40m/s，Re = 2.78e6，计算域出口为压力出口边界，车身表面设置为无滑移壁面边界条件，计算域地板设置为无移动壁面边界条件，计算域上表面及左右侧面均为滑移壁面边界条件。

实验结果及分析
光滑表面：



(a) x方向涡量；(b) x = 0.1 m和 0.5 m 平面的流线

凹坑型非光滑表面：



(a) x方向涡量；(b) x = 0.1 m和 0.5 m 平面的流线

从上图我们可以看出Ahmed模型的尾流非常复杂，主要由三部分构成：两个纵向涡，可以看成是从C柱的分离流与从纵向尾部边缘的分离流的合成流；斜背上的拱形分离气泡；垂面上旋向相反的上下分布的分离气泡。

比较以上两图，我们发现两者的气流分布非常不一样。采用凹坑型非光滑表面后，近壁面形成了许多小的涡流，斜背上的拱形涡被破坏了。



(a) 光滑表面；(b) 凹坑型非光滑表面

上图显示了纵向对称面上斜背上的流场结构，我们可以看出斜背为光滑表面时，气流一旦流过顶面与斜面的交界就产生了分离，并在斜背上形成了一个较大的涡。采用凹坑型非光滑表面后，气流的分离没那么明显了，当气流流过顶面与斜面的交界后会继续附着在表面上，并在下流处产生分离，形成相对较小的分离气泡。
为了弄清气流分离延迟的原因，单独研究了一个凹坑周围的流动速度和r.m.s速度波动。



(a) 减阻机理示意图；(b)流速和流速的曲线波动

其中实线代表凹坑型非光滑表面，虚线代表光滑表面

与光滑表面相比，由于剪切层的不稳定性，凹坑型非光滑表面的速度波动迅速增加。之后，由于湍流的急剧增加，流动重新附着在斜面上并形成分离气泡。此外，再附着的气流在近壁面有足够的动量来克服斜背上的反向压力梯度。最后的结果就是气流分离延缓了，得到了一个较小的尾流，从而阻力减小了，Cd值由原来的0.294减小到了0.285，也就是减少了3.16%。

我们知道，钝体前后部的压差是形成气动阻力的主要原因。在该研究中，模型的前部没有变化，因此阻力的减小归因于尾部负压区域的减小。



x = 0.1 m的压力分布： (a) 光滑表面; (b) 凹坑型非光滑表面

从上图可以看出，采用凹坑型非光滑表面后，尾部的负压区域变小了。



湍流动能： (a) 光滑表面; (b) 凹坑型非光滑表面

从上图可以看出，相较于光滑表面，采用凹坑型非光滑表面后，湍流动能减小了，这意味着Ahmed模型斜面上的的能量耗散减少了。

一般地，非光滑表面减阻有两个机理：一是促进湍流边界层的形成，并延缓气流分离；二是减小摩擦阻力。该研究的仿真结果表明，斜背采用凹坑型非光滑表面后，摩擦阻力阻力为5672N，与光滑表面的摩擦阻力5669N相近。因此我们可以得出结论：在现在的研究中，采用凹坑型非光滑表面后的减阻效果主要是因为气流分离减缓了。

结论
1、采用凹坑型非光滑表面后，模型尾部的负压区减小，湍流动能和涡量减少，因此对减阻有积极作用，采用最优减阻方案后，减阻效果能达到5.2%。
2、减阻主要归因于凹坑内产生的气泡以及由于剪切层的不稳定性所引起的分离延迟。
本文来源于武汉理工大学汪怡平副教授的一篇学术论文，我们团队对内容作了总结和概况，如有错误敬请谅解。对研究内容感兴趣的人也可以联系论文作者。我们团队在仿生减阻降噪方面也有研究，欢迎大家一起交流研讨。