车外后视镜基座造型的流场分析
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摘 要：应用数值模拟方法建立了3种常见的后视镜基座模型，运用计算机流体力学(CFD)理论和Fluent软件对其表面及附近空间区域的流场进行了对比分析。结果表明，侧窗全连接基座造型后方形成的涡流区较大，尾流较长，致使气动特性较差；门外板连接的基座造型将涡流区引到了门外板区域，加强了侧窗附近气流的通顺性，在一定程度上起到优化的效果；侧窗半连接基座造型的流场特性介于上述两种造型之间。本文的分析为后视镜设计及气动特性优化提供了参考。
关键词：后视镜；造型；气动特性；Fluent
中图分类号：U463.85+6文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.003
Flow Field Analysis of Exterior Rearview Mirror Base Styling
Liu Li1，Chen Xin1,2
(1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation， Jilin University， Changchun, Jilin 130025，China；
2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing，Hunan University，Changsha，Hunan 410082，China)
Abstract：Three common kinds of rearview mirror bases were modeled using computational fluid dynamics (CFD) theory and Fluent CFD software. This paper made a contrastive analysis of flow field on the surface and nearby spatial regions of the rearview mirror bases. The results show that the bigger eddy and the longer wake are formed in the rear region for the side-window entire connection base，which makes the aerodynamic characteristics worse. The exterior door panel connection base takes the eddy zone to the region of the exterior door panel，and strengthens smooth flow of air nearby the side-window. Therefore this kind of base plays an optimization effect. The flow field characteristics of the side-window half connection base are situated between those of two other bases. This analysis has provided a reference for rearview mirror design and its aerodynamic optimization.
Key words: exterior rearview mirror；styling；aerodynamic characteristics；Fluent
随着高速公路的发展，燃油价格的上涨以及更加严格的法规的颁布，对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性以及舒适性都提出了越来越高的要求，这使汽车空气动力学的研究成为汽车行业的重点研究方向之一。采用计算流体力学方法对车辆性能进行预测，相对于风洞试验，不仅可以节约资金，还能缩短新车型开发周期[1]。
从20世纪20年代开始，空气动力学的概念与研究成果便开始引入汽车设计当中，并植入了航空航天领域的诸多成果，这使汽车空气动力学得到了长足发展。汽车造型也随之变化：主要经历了基本形状化造型阶段、流线型化造型阶段、车身细部优化阶段和整体优化阶段。尽管以“理性化汽车造型设计方法”[2]为代表的全新优化方法具有积极的指导意义，但某些优化方案还处在概念设计的范畴之内。以后视镜为例，虽然后视镜的存在影响了气动性能，但是基于传统驾驶习惯的约束以及拟人化的需求，短时期内还无法真正实现“无附件化”的设计。
本文针对这种情况，以轿车外后视镜的3种常见连接方式为切入点，着重分析侧窗部位的流场特性，并对比分析3种基座连接造型对流场的影响，作为后视镜优化及气动性能优化的参考，切合实际地指导气动特性及舒适性的设计。
1 研究方法和流场模拟理论
汽车空气动力学的研究方法有风洞试验、道路试验和数值计算3种[3]。
风洞试验虽能较好地反映流场的实际情况，但风洞建设投资大、试验周期长，且存在堵塞效应、地面效应与车轮旋转效应模拟等问题，不能详细了解车辆外部流速、压力等参数的分布情况。所以仅采用风洞试验和路面测试技术来研究汽车空气动力学，已不能满足快速开发更经济、安全、舒适的汽车的需要。
计算汽车空气动力学(汽车流场的数值模拟)是CFD在汽车工程领域的具体表现。
CFD随着计算机以及计算机技术的发展而发展，并逐步形成一门独立学科。CFD的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展，为简化流动模型的建立提供了更多的依据，使很多研究方法得以发展和完善。更重要的是CFD采用独特的研究方法(数值模拟法)研究流体运动的基本物理特性。这种方法的特点如下：(1)给出流体运动的离散解，而不是解析解；(2)它的发展与计算机技术的发展息息相关，这是因为可能模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和所能模拟的物理长度以及所给出的解的精度都与计算机的速度、内存以及图形输出的能力有直接关系；(3)若物理问题的数学提法(包括数学方程以及相应的边界条件)都是正确的，这可以在较广泛的流动参数(雷诺数、物体运动速度等)范围内研究流体力学，且能给出流场参数的定量结果[4]。CFD在汽车工程上的运用始于20世纪60年代。今天，CFD技术已广泛运用于汽车工程领域。
本文运用CFD软件Fluent对轿车后视镜区域进行了数值模拟，并对结果进行了对比分析，采用的模型是标准k-ε模型。该模型由JoneS和Launder建立，在工程中得到了广泛的应用。它是现在很多流体分析软件的湍流理论基础，在这里做简单介绍：
式中：为流体动力粘性系数；为涡粘性系数，它是由T.VBoussinesq提出的，主要取决于流场的湍流特性，是流场空间位置的函数，满足
式中：是对动量方程被平均化后得到的雷诺应力项；涡粘系数用k和表示为 （10）
对于标准k-ε：湍流模型，其常数值为： =1.0，=1.3，=1.44，=1.92，=0.99。
2 建模与计算
本文以某国产轿车为原型，忽略孔洞、凹槽、小圆角、门把手等细部结构，用CATIA对3种常见的后视镜基座造型进行三维数字建模。为了尽量排除干扰因素，车身及后视镜镜罩均采用相同模型，只改变基座的连接方式，以便于观察不同的基座造型对流场的影响。这3种后视镜连接造型分别为侧窗全连接模型、侧窗半连接模型、门外板连接模型，如图1所示。
数值风洞模型以车身基本尺寸（长L×宽W×高H）为基准，采用7L×4W×4H，出、入口到车身前、后端的距离均为3倍车长。为节省计算时间，采用半车身模型进行模拟。前处理在Gambit软件中进行，它是Fluent专用前处理软件，并采用附面层网格加非结构性网格的方式对其进行划分，如图2所示。
而完成这个模拟过程还需要根据模型尺寸计算水力直径和湍流强度，公式为
水力直径：L=0.07D (11)
式中：D为风洞平均直径。
湍流强度：I=0.16×(Rel)-1/8 (12)
式中：Rel是以特征长度计算的雷诺数。
本文将入口条件设为velocity-inlet，速度为30 m/s，
出口条件为outflow，对称面设为symmetry，地面移动速度30 m/s，整个模拟过程计算至收敛。各阶段主要参数设置如下：
3 计算结果及分析
3.1 车身表面流场对比分析
经过以上计算，得到3种后视镜基座造型的流场。图3、图4和图5分别是车外后视镜基座侧窗全连接、侧窗半连接和门外板连接形式的车身表面气流速度分布图。
由以上3幅图可知：3种后视镜连接方式均对侧窗流场产生了一定的影响，并且由于后视镜镜罩的挤压，使得镜罩边缘区域流速较快，后视镜后方区域速度则较低，甚至出现反向流动，有不同程度的涡流产生。虽然3种模型在宏观上呈现出相似的流场特性，但在细节上有很大的不同，主要体现在以下几个方面：(1)侧窗全连接模型对于侧窗表面的影响最大，可以清楚地看到有上下两个近似对称的涡流产生，并托有长长的尾流，宽度也较宽；半连接模型与其相似，但在涡流宽度和尾流长度方面均不如全连接模型剧烈；门外板接连对侧窗表面的影响最小，且整个涡流区向下转移到了车门外板的位置，使侧窗表面的气动压力场得到改善，有利于降低气动噪声，提高车内乘员的舒适性；(2)后视镜基座与A柱夹角位置的流速有所不同；侧窗半连接和门外板连接稳定在30 m/s左右，而全连接由于基座面积较大，对气流阻挡作用较强，使其速度下降为26 m/s；(3)由于基座尺寸大小不同，对气流阻挡作用也不同，全连接、半连接和门外板连接模型的阻挡区域依次下移，使A柱表面的高速流动区域也向下延伸。
气流流速对于压力场有着重要影响。由于3种基座造型对侧窗流场的改变，使三者侧窗表面的压力场也有所不同。图6、图7和图8分别是车外后视镜基座侧窗全连接、侧窗半连接和门外板连接形式的侧窗表面的等值压力线图。
从图中可以看出：(1)侧窗全连接模型后方的负压区最大，大部分负压区覆盖在侧窗位置，对侧窗流场影响也最大；门外板连接模型后方的负压区最小，且下移至门外板，对侧窗流场影响最小；侧窗半连接模型介于两者之间；(2)侧窗全连接、半连接以及门外板连接3个模型，在A柱上的负压区依次向下延伸，这与高速气流区的下移有着直接的联系。
车身表面压力场的分布情况对于气动噪声水平有着重要影响。上述3种模型压力场的对比分析，为气动噪声的优化提供了参考。
3.2 空间流场对比分析
以上是关于车身表面流场和压力场分布情况的对比分析，能够在一定程度上反应三维流场的差异，但就侧窗附近的空间区域而言，由于受到后视镜镜罩、基座以及A柱的综合影响，其流场分布还需要进一步验证。
本文应用Fluent软件相关功能，对车身流场的重要位置划分出不同截面，以观察空间流场的分布情况。所划分的截面包括两种，一种是通过后视镜中心的水平截面；另一种是通过基座中心并“平行”于侧窗的竖直截面。图9、图10和图11分别是车外后视镜基座侧窗全连接、侧窗半连接和门外板连接形式的水平截面压力场和流场图。
由以上数据可知：(1)侧窗全连接模型镜后尾流较长，覆盖区域较大，镜后形成一个很大的涡流，里层速度慢于外层速度，且贴近侧窗玻璃，这将形成比较严重的脉动压力场，不利于气动噪声低频段的优化；(2)半连接模型的尾流较短，镜后受两股气流的冲击而形成两个相对的反向涡流，并且由于镜罩安装角度的导向作用，使内层涡流范围大于外层涡流。此外基座只连接了一半，使一部分气流从此通过，夹在了涡流与侧窗玻璃之间，会在一定程度上缓解脉动压力的传递，降低低频气动噪声，而高频噪声方面还需进一步验证；(3)门外板连接模型依然存在一段尾流区，镜后有两个反向涡流，但由于基座的下移，气流更加通畅，这使涡流区与侧窗玻璃的距离进一步加大，有利于进一步降低低频率的气动噪声。
图12、图13和图14分别是车外后视镜基座侧窗全连接、侧窗半连接和门外板连接形式的竖直截面压力场和流场图。
这个竖直截面切割了后视镜的基座，并主要关注侧窗附近的流场。
从以上数据可以看出：(1)竖直截面内压力场分布与水平截面相似，这主要是由于基座大小不同，从而形成了不同的负压分布；(2)全连接基座模型由于正投影面积较大，严重阻挡了气流的流动，在其后面侧窗附近形成了巨大的、规则的涡流；半连接基座模型的阻挡作用较小，涡流较小，且不规则；门外板连接基座模型由于没有安装在侧窗上，在此区域内无明显涡流，气流比较平顺，只在后部有少量上扬的气流，这是由于车门外板上的涡流区域影响的结果。
4 宽频带噪声分析
在汽车设计的初级阶段，工程技术人员往往需要定性分析结构或者外形所产生噪声的大致分布，基于k-ε模型的宽频带噪声源方法是解决这一问题的有效手段，并可以快速识别噪声源。以下是3种模型的宽频带声功率级分布图：
从以上3组数据可以清楚地看到：(1)全连接模型中，后视镜后部的声功率级带较宽，覆盖面积广，且声功率级值较高；(2)半连接模型的声功率级分布带较窄，升功率值有所下降；(3)门外板连接模型则将后视镜后部较高的声功率级带下移至门外板位置，进一步降低了侧窗的噪声水平。
3种模型的声功率级分布情况与前面的流场分析及压力场分析有着较好的一致性，进一步说明后视镜区域流场特性对于侧窗噪声水平有重要影响，并为优化后视镜基座造型，进一步降低噪声水平提供了积极的参考。
5 结论
本文对3种常见的后视镜基座造型进行了数值模拟，得到了侧窗附近的流场分布情况，并对侧窗表面及其空间区域进行了对比分析，得出以下结论：(1)侧窗全连接基座造型会在其后方形成较大的涡流区域，尾流较长，致使声功率级值较高；(2)侧窗半连接基座造型后方的涡流区域有所减少，噪声水平有所改善；(3)门外板连接的基座造型将涡流区引到了门外板区域，加强了侧窗附近气流的通顺性，在一定程度上削弱了气流脉动压力场的振动传递，侧窗声功率级值也得到有效降低。
后视镜基座由于其特殊的位置，对于侧窗附近的流场特性起到重要作用。良好的基座造型不仅能改善侧窗流场特性，更为降低噪声水平提供了新的优化途径。
参考文献(References):
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