轿车开窗行驶时的气动阻力分析
2024-08-16
来源:乌哈旅游
. 31 /j《) RNAI|0 。liA GSt l l Yf {litil・al Sc}elICe Editi()nl doi:10.3969/j.issn.1671—7775.2010.06.007 轿车开窗行驶时的气动阻力分析 张英朝,李 杰,张 拮 (吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,吉_休长春130022) 摘要:基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法,研究了轿车行驶时不同开窗情况下整车的气动 阻力.根据轿车不同的车窗开窗情况,将汽车开窗行驶分成9种情况进行数值模拟,获得了整车的 气动阻力系数以及室内流场分布情况.通过流场的显示分析推测气动阻力增加的原因,评价了不同 开窗情况下汽车驾驶室内的通风效果.根据汽车理论,分析了开窗行驶对汽车燃油消耗的影响,给 出了汽车开窗行驶的建议.研究结果表明:低速(低于90 km/h)行驶时,开窗行驶增加的燃油消耗 低于开空调增加的燃油消耗;汽车低速行驶开窗能够对驾驶室进行很好的通风降温,不会大幅提高 燃油消耗.车速高于90 km/h时,汽车气动阻力明显增大,功率消耗也快速增加,高速行驶打开车 窗,室内的噪声会突然增大. 关键词:轿车;气动阻力;开窗;空气动力学;计算流体力学 中图分类号:U461.1 文献标志码:A 文章编号:167l一7775(2010)06—0651—05 Analysis on car aerodynamic drag for open windows Zhang Yingchao,Li Jie,Zhang Zhe (State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation,Jilin University,Changchun,Jilin 1 30022,China) Abstract:The aerodynamic drag for driving car on the urban road was studied with different window openings based on computational fluid dynamics(CFD).There are 9 cases according to the differences of open windows.The reason for aerodynamic drag was postulated and the effect of ventilation in the cab was estimated.The effect of opening windows to fuel consumption is studied based on road vehicle theories. Some advices are provided for driving ear in summer.The results show that the fuel consumption of car running with windows open is less than that turning air conditioning on when car runs at low speed(under 90 km/h).Opening windows will ventilate the cab well and cool the air in the cab with little gas con— sumed.When the cars run at speed higher than 90 km/h with open windows,the aerodynamic drag of car increases,power consumption of the car increase rapidly,and interior noise will also increase sharply. Key words:ear;aerodynamic drag;open windows;aerodynamics;computational fluid dynamics 夏天,人们在开车出行时,经常打开车里的空调, 些驾驶员开窗行驶,这样可以保持室内通风,还可以降 这样能够显著改善乘坐环境,能够使驾驶员保持冷静, 温,感觉起来并没有增加燃油消耗. 还能够让乘客感受到现代交通工具的优越.然而,空调 轿车开窗行驶,整车行驶阻力到底会增加多 一开,整车的动力性明显下降,燃油消耗明显上升.有 少,对行驶有多大影响,目前国内外还没有相关的 收稿日期:2008—11—17 基金项目:国家自然科学基金资助项日(10802033);古林大学 本科研业务费科学前沿与交叉学科创新项日(200903239) 作者简介:张英朝(1978~),男,河北石家庄人,博士(yingchao@jlu.edu.cn),主要从事汽车空气动力学研究. 李杰(1964一),男,占林双辽人,教授,博十生导师(1i.jic@asc1.jlu.edu.cn),主要从事汽车仿真与控制研究. I 文献进行这 ‘面的研究.但有文献研究开窗行驶 的气动噪卢问题 .为了对开窗行驶时的汽车气 2 驾驶室内流阻力及整车气动特性 2.1开窗阻力影响分析 动阻力的影响进行确认,为轿车开窗行驶提供建 议,笔者通过空气动力学数值模拟方法,研究轿车 开窗行驶时气动阻力特性及其对轿车燃油消耗及 经过计算获得9种不同开窗情况下的汽车气动 动力性的影响. 1数值模拟方案 1.1汽车模型 建立MIRA标准汽车模型 ~ ,该模型在国外 做过较多的风洞试验,有丰富的试验数据,适合进行 汽车空气动力学数值模拟的对比和验证. 模型如图1所示,其中加入了根据典型轿车建 立的内室模型,并且根据研究需要对车窗是否开闭 及 同开启程度进行了9种情况的建模.车窗开闭 情况:①全闭;②全开;③全开左;④全开后;⑤全 开前左;⑥伞开前左后右;⑦半开所有;⑧半开左; 1/4开所有. 1 汽乍模型及内室模型 Fig.1 Car model and cabin model 1.2网格划分 根据汽车空气动力学的研究经验,需要建立模 拟大气流场的计算域 .本研究采用商用前处理 软件完成网格划分,采用全四面体结合表面拉伸三 棱柱的网格形式. 内率细节部件比较多,建模时进行了简化处理. m于成员人数不确定,没有建立人体模型.最终方案 包括小同开窗形式的所有方案的平均网格数在600 万~700万之间. 1.3模拟参数及求解 汽车空气动力学数值模拟,一一般应用高宙诺数 低速不町 模型,并采用与风洞类似的数值模拟边 界条件.研究采用基于有限体积法的Navier—Stokes 程的商业软件求解. 湍流模 :高雷诺数k— 湍流模型. 入Lf:人n速度30 m/s. 出口:出【lI压力. 阻力系数c。和气动侧向力系数C ,如表1所示.其 中,开窗程度定义为开窗面积/窗户总面积. 表1 不同程度开窗形式的整车气动力系数比较 Tab.1 Diferent aerodynamic coefifcients when open windows 采用的模型为标准的汽车模型,该车的气动阻 力系数为0.300 ’ .从方案1可知,对汽车气动阻 力的预测精度为3%. 从表1可知,开窗行驶情况下的气动阻力系数 都高于不开窗行驶的气动阻力系数.由于开窗行驶 出现了一个空腔,气流流经空腔会与空腔相互作 用 ,从而增加阻力. 图2是气动阻力系数随开窗程度的变化图.由 该图的变化趋势可知,随着开窗程度的提高,气动阻 力系数增大.但介于开窗和不开窗方案之间,没有明 显的随开窗程度变化的趋势.可以得出初步结论:开 窗程度的大小对气动阻力系数的影响不大. 图2气动阻力系数随歼窗程度的变化趋势 Fig.2 Drag coefficients with different degree of open windows 从上述研究推测,正常开窗行驶,气动阻力系数 在0.330左右,超出全闭窗行驶汽车阻力系数 0.030,与最大气动阻力系数相比,有0.051的差别. 653 /■ 消耗于气动阻力的功率 I9j P= , 式中C。为气动阻力系数,标准模型为0.300;p为空 气密度,取1.225 kg/m ;A为车辆正投影面积,采用 的模型A为1.856 m ; 为汽车行驶速度,最大达到 35 m/s; 为汽车传动系效率,轿车取0.9. 由于开窗导致气动阻力系数增加会消耗额外的 汽车行驶功率.由上式可知,气动阻力系数增加 图3气动阻力消耗功率随车速的变化 Fig.3 Power consumption of aerodynamic drag 0.051,汽车行驶消耗于气动阻力上的功率会增加 17%.即使通常开窗情况,汽车消耗于气动阻力上的 根据一些研究经验,轿车空调消耗的功率在 功率也要增加10%.通过上式建立的速度与气动阻 2 kW左右.汽车在低速行驶时,特别是车速低于 力功率的关系,如图3所示. 25 m/s时,开窗导致气动阻力的增加而额外消耗的 汽车水平路面匀速行驶时,功率消耗主要分2 功率很小,小于空调消耗的功率. 部分,即滚动阻力和气动阻力.滚动阻力随车速的变 2.2流场特性分析 化很小,气动阻力随车速的变化很大.由图3可知, 为了研究开窗行驶气动阻力增加的原因,研究 随车速的提高,气动阻力消耗的功率迅速增大.对于 开窗行驶时驾驶室内气流的分布,需要分析开窗行 轿车,车速超过15 m/s,开窗行驶对气动阻力的影 驶时驾驶室内外的流场情况.由于初步推断开窗程 响更明显.车速超过25 m/s(即90 km/h时),开窗 度对气动阻力的影响不大,限于文章篇幅,仪提取几 气动阻力增加而多消耗的功率超过1 kW,车速超过 个方案作典型性分析. 30 nr/s,开窗行驶气动阻力增加而多消耗的功率超 图4是车身周围流线显示.提取了方案2,4,8, 过2 kW. 9的流线图. (c1方案8 (d)方案9 图4几种方案的流线显示 Fig.4 Stream—line of some cases 由图4可以看到,气流由于空腔的存在,都在车 窗附近流入车窗内.气流流动的趋势是在流经A柱 后偏向下方流动,由于开窗口的存在气流向上偏,在 车窗玻璃的上沿流入驾驶室内部.从几个方案的窗 口附近的流线都发现这样的趋势,无沦开窗大小,车 窗内都有气流流入,开窗大小对整车气动阻力影响 图5 车窗附近中央截向示意罔 不大. Fig.5 Section plane near windows 图5为车窗附近中央截面示意图,在车窗附近 对上述截面提取了压力分布图,如图6所示.显 建立水平平面.图中3条直线表示位置,从下到上依 示了方案2,4,8,9在z=1 200 mm处的计算结果. 次为z=1 000 Film,Z=1 200 mm,Z=1 300 Iilm. 从图6可知,在开窗行驶时,汽车驾驶室内部的 I 654 日d)l\R坦 压力明显低于汽车车外的压力值.从而会有外部气 ●— . 蓬一 ㈣ 萋罄堋 悯 流流到驾驶室内部的流动趋势.方案4是开后窗的 情况,该情况下汽车的驾驶室内气压高于其他3种 方案,但也是负压区,即低于外界大气压. § 甄 l零 鼙 一 . ~ … 0 图6戡面压力分布(z=1 200 FlilTI) Fig.6 Pressure contour Oil section(Z=1 200 hi 譬 m)图7是方案2的速度矢量图,显示了在不同高 个尾部湍流区域.气流流入驾驶室后,在驾驶室内循 度截面驾驶室内的速度分布情况.气流经过汽车的 A柱和B住,更多的从后窗后侧,C柱前的区域流 人.在A柱和B柱后侧形成了类似于尾流结构的一 一嚣=: ~孵霄臻~ 环流动,形成回流区域.由于驾驶室内零部件不对 称,导致室内的流动并不对称,最终使气动侧向力系 数增加. ~ ∥ 一蠛 ll-0 一。l。 一 一螓 .曛 (a)Z=l 000mm 图7方案2的Z截面速度矢量图 Fig.7 Velocity vector of Z section plane for case 2 一一r Co)z=1200mill (c)Z=l 300mill 从高度上来看,方案2的全开窗行驶,流入驾驶 数增加. 图8是方案8的情况,半开汽车左侧的车窗. 由于车窗半开,所以气流流入驾驶室的区域主要 室气流的区域主要集中在车窗下部的区域.从图 7b,C可知,上部气流很少进入驾驶室内,大部分气 流是内部的窄气流动.由于汽广f车顶部的存在,气流 在车顶附近气流由于气体的惯性,要保持一定的速 集中在车窗上部开窗的区域.它的湍流区域同样 在车窗上部.但对比图6,方案8的汽车驾驶室内 度,所以类似A柱附近的流场,车顶附近流入的气 流速度并不大.汽车全开窗行驶时,由于车窗下部大 量的气流流人冲击驾驶窒后部,从而导致气动力系 的高速流动区域明显减少,这会减小对气动阻力 的影响.流场的不对称情况,会导致气动侧向力的 产牛. 薹 交 心 Co)z。_1200 mill (c)Z=l 300 mill 8方案8的z截面速度矢量图 Fig.8 Velocity vector of Z section plane for case 8 图9足方案9的情况,汽车车窗都 开1/4.气 流流入驾驶室的区域主要集中在车窗最上部开窗的 655 / 区域.冈此对汽车后座椅下部附近空间区域影响不 大.气流主要对后排座椅上侧的空问有影响. 阻力增加较大.从速度场的云图分析可知,这样开窗 达到的通风效果并 好,只是在后排座椅后上方通 方案9的开窗形式虽然开窗面积不大,但气动 风效果好. ! 33 :萱 (a】Z=1000Inm (b)Z=I200111111 (c)Z=I3001111"11 9方案9的Z截面速度矢量图 Fig.9 Velocity vector of Z section plane for case 9 —l rl rl_l rl综合起来,汽车开窗行驶,由于有气流会流入驾 2 Number:2008—01—0678.3 4 5 6 ] ]j]j]J]J驶室,从而引起气动阻力增加,导致发动机功率消耗 Zhu Xijia,Gleason M.A process of side window buffe— 增加,增加了燃油消耗.由于开窗行驶的不同导致流 ting prediction[C]//SAE Technical Paper Series.USA: 场的流动并不相同,产生的气动力变化也不同.仅开 SAE Publication Group,Paper Number:2006—01— 一侧车窗可能导致驾驶室内流动不对称,存在气动 1573. Gaylard A P.Baxendale A J.The use of CFD to predict 侧向力,但是这个侧向力并不大. the aerodynamie chatacteristics of simple automotive shapes[c]//SAE Technical Paper Series.USA:SAE 3 结 论 Publication Group,Paper Number:980036. Geoffrey M,Good L,Garry K P.On the use ol、reference 通过空气动力学数值模拟对汽车不同开窗程度 models in automotive aerodynamics[C]//SAE Technical 行驶的气动阻力进行了研究.低速(车速低于90 Paper Series.USA:SAE Publication Group,Paper knr/h)行驶时,由于开窗导致的空气阻力不大,低于 Number:2004—01—1308. 空调消耗的功率.当车速高于90 km/h时,汽车气动 Hucho W H.Aerodynamics ofRoad Vehicle[M].War— 阻力明显增大,导致汽车功率消耗也快速增大.同 rendale PA:SAE International,1 998. 时,如果高速行驶扣 开车窗,室内的噪声也会突然增 张英朝,李杰,李玉虎,等.轿车会车时气动特性的 大,不利于乘员的舒适乘坐.所以当车辆在市区低速 数值模拟[J].江苏大学学报:自然科学版,2008,29 行驶,对室内舒适性要求不高的情况下,叮以打开车 (2):119一l22. Zhang Yingehao,Li Jie,Li Yuhu,et a1.Numerical si— 窗通风行驶.这样在炎热的夏天既可以通风,又可以 mulation of car aerodynamic characteristics when cro— 减少窄调的功率消耗. ssing each other[J].Journal foJiangsu University:Nat— 单独打开一侧的车窗行驶,由于流场,特别是驾 ural Science Edition,2008,29(2):119—122.(in Chi— 驶室内流场的不对称导致气动侧向力的增加.但是 nese) 这个侧向力很小,并不对车辆行驶产生重大影响. Hoffman J.Martindale B.Arnette S.Effect oftest section 本研究考虑到人体模型形状复杂,建模难度大, configuration on aerodynamic drag nleasurements[C]∥ 同时对开窗行驶的气动阻力影响不大,在研究方案 刚E Technical Paper Series.USA:SAE Publication 巾没有加入人体模型.另外由于数值模拟存在一定 Group.Paper Number:2001一O1—0631. 不确定性.本模拟做过验证,仿真精度能达到5%以 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:中国机械工业 内,但应该进一步完成试验来验证研究结果. 出版社,2006. 余志生.汽车理论[M].北京:机械 业出版社, 参考文献(References) 2009. [1 Chen F,Qia,1 P.Vehicle wind buffeting noise reduction via window openings optinfization[C]//SAE Technical (责任编辑 贾国方) Paper Series.USA:SAE Publication Group,Paper