DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.042

汽车雨刮器的瞬态气动特性

陈阵¹，谷正气^{1, 2}，张勇^{1, 2}，宗轶琦¹，黄泰明¹

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082；

2. 湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲，412007)

摘要：通过编译用户自定义函数(UDF)，利用动网格技术，通过数值计算得到雨刮器的瞬态气动特性，并进行风洞试验验证。通过分析前风窗及雨刮器表面的压力及流场分布，探讨作用在主、副雨刮器上气动升力及气动阻力的变化规律及其对雨刮器稳定性的影响，并引入6个离散位置的稳态计算以进行对比分析。研究结果表明：雨刮器在刮刷过程中受到的气动升力及气动阻力存在最大值，且遵循一定的变化规律，下行时受到的气动升力及气动阻力比上行的大，上行时受到的气动升力及气动阻力大于稳态值，作用在主雨刮器的气动升力及气动阻力比副雨刮器的大；采用的数值模拟方法充分捕捉到雨刮器刮刷过程中的动态效应，所得部分结果与风洞试验结果相吻合，可用于雨刮器的设计与气动特性评价。

关键词：雨刮器；气动特性；动网格；风洞试验

中图分类号：U461.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)10-3597-08

Transient aerodynamic characteristics of windscreen wipers of vehicles

CHEN Zhen¹, GU Zhengqi^{1, 2}, ZHANG Yong^{1, 2}, ZONG Yiqi¹, HUANG Taiming¹

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,

Hunan University, Changsha 410082, China;

2. College of Mechanical Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Abstract: Combined with the dynamic meshing and user-defined functions(UDF), transient aerodynamic characteristics of wipers were obtained through numerical simulations and were validated by wind tunnel test. Through the analysis of the distribution of the pressure and streamlines around the front windshield and wipers, the change process of the wipers' aerodynamic characteristics and influence of the aerodynamic force on wipers’ stability were discussed. The simulations at six steady discrete locations were also introduced as a contrast. The results show that the maximum values of lift and drag force exist when wipers work, and there is a certain change rule. The lift and drag force is greater than that of ascending, and the force is greater than steady value when wipers descend. The lift and drag force of driver side wiper is greater than that of passenger side wiper. The numerical simulation fully captures the dynamic effects of the wiper, and the results are consistent with those of the wind tunnel experiment, which can be used in the evaluation of the aerodynamic characteristics and design of the vehicle wipers.

Key words: windscreen wiper; aerodynamic characteristics; dynamic mesh; wind tunnel test

汽车在高速行驶时，雨刮器会受到浮力作用，当雨刮器设计时的预紧力不足以克服浮力时，就会出现上浮，这将直接导致前风窗上的雨水无法刮刷干净，影响驾驶员视野，从而引发交通事故。同时，雨刮器的上浮也会影响其使用寿命，造成经济损失。浮力与雨刮器外型决定的气动特性有关^[1-6]，然而，人们对大部分雨刮器的设计并未考虑其气动特性，因此，需要一种普遍而又准确的雨刮器设计和评估方法。国外已较早地将数值模拟应用于二维雨刮器模型的气动升力计算^{[1-2, 7]}。PHILIPPE等^[8-10]通过模拟三维雨刮器的气动特性，研究了雨刮器各个部件对气动性能的影响，并提出一种加装扰流器和翅片的改进方案。SBASTIEN等^[11-14]研究了不同外形及不同挂刷角度下雨刮器气动升力的变化规律；张军海^[15]对比分析了雨刮器在3种特定位置下的气动特性；YANG等^[16]分析了主、副雨刮器的稳态气动特性；LIN等^[17]研究分析了雨刮器外型对其气动力的影响；GAYLARD等^[18]分析了雨刮器周围的流场特性。然而，这些研究都是针对雨刮器的稳态气动特性进行的，结果难免会出现一定偏差。准确的数值模拟方法是精确分析雨刮器气动特性的基础。雨刮器的运动对周围流场产生了巨大的影响，刮雨过程为瞬态三维过程。本文结合动网格技术进行数值求解，利用计算流体力学软件FLUENT，通过编译用户自定义函数(UDF)实现雨刮器的瞬态过程，对行驶中汽车雨刮器的瞬态气动特性进行研究，以便为雨刮器结构设计与稳定性分析提供参考。

1  计算模型和方法

1.1  雨刮器模型

汽车在行驶过程中，气流从引擎盖流至前风窗，然后经过雨刮器，流向A柱和顶棚。汽车的外形结构对雨刮器周围的流场有很大影响，这里选用最常用的国际标模MIRA和有骨雨刮器为原型，并进行适当简化。其三维模型如图1所示。建立长方体计算域模拟汽车周围流场，计算域入口至车身前部的距离为车长的3倍，出口至车身后部的距离为车长的7倍，顶部至车顶的距离为车高的4倍，两侧至车身两侧的距离均为车宽的3倍。

1.2  计算模型及边界条件

汽车以30 m/s的速度行驶，马赫数小于0.3，因而，汽车周围流场可看作三维不可压缩黏性等温流场，可选取大涡模拟湍流模型(LES)进行数值计算。将Navier Stokes 方程在物理空间进行过滤得到LES控制方程：

         (1)

            (2)

式中：ρ为流体密度；x_i和x_j为坐标轴分量；和为过滤后的速度分量；μ为湍流黏性系数；为过滤后压力；τ_ij为亚格子尺度应力^[19]。

图1  汽车与雨刮器的三维模型

Fig. 1  3D model of car and wiper

为使控制方程封闭，当前采用较多的亚格子模型是涡旋黏性模型：

           (3)

式中：δ_ij为克罗内克系数；μ_t为亚格子湍流黏性系数；S_ij为求解尺度下的应力变化张量分量；τ_kk为亚格子尺度应力的各向同性部分。计算边界条件参数及求解参数如表1所示。

1.3  动网格技术

采用四面体及三棱柱网格进行控制方程的离散，网格总数为1 020余万，如图2(a)所示。

为避免由于网格运动产生的额外误差，必须遵守动网格守恒方程。任意1个边界移动的控制体V中，广义标量 f 的积分守恒方程为

            (4)

式中：ρ为流体密度；A为面积向量；u为流体的速度矢量；u_g为移动网格的网格速度矢量；Γ为扩散系数；S_f为f的源项；为控制体V的边界。

表1  边界条件及求解参数设置

Table 1  Boundary condition and solution controls

动网格的更新采用网格变形和局部网格重构相结合的方法。前者的基本思想是将网格单元的各条边看作弹簧，当边界运动后，通过求解弹簧系统节点受力平衡问题，来确定网格点的新位置。局部网格重构法是当边界变形导致网格尺寸或畸变率超过指定的范围时，使用插值在计算域内重新生成网格，使网格限定在合理的范围内。

从图2(b)可看出：雨刮器在运行过程中，前风窗网格一部分被拉伸，一部分被压缩；当畸变率超过设定值时，网格即发生局部重构。

图2  三维模型网格及动网格变化过程

Fig. 2  3D mesh and change process of dynamic grid

定义雨刮器为刚体运动，速度为1.5 rad/s，取初始位置为0°，主、副雨刮器同时上行至50°(根据MIRA及雨刮器的模型特征，上行至50°即可保证驾驶员的安全视野)，停滞0.3 s后下行至初始位置，停滞0.5 s，至此1个周期结束，进入下个周期。利用用户自定义函数(UDF)实现这一运动过程，其控制函数如下：

for (i=0; i<=n; i++)

{if (2i

omega[0]=1.5; \\雨刮器上行

else if (2i+0.9

      omega[0]=-1.5; \\雨刮器下行

else

  omega[0] =0 \\雨刮器停滞

}

1.4  模型验证

计算得到MIRA模型的气动阻力系数C_d为0.312。为了验证本文采用的数值计算方法的正确性，在湖南大学HD-2边界层风洞中对MIRA模型进行测力及粒子图像测速实验。MIRA模型为1:3缩比模型，不同风速下气动阻力系数C_d试验结果如表2所示。从表2可知：当风速超过25 m/s时，C_d已变化较小，进入“自准区”，消除了模型比例缩小带来的影响；当风速为30 m/s时，实验测得的风阻系数C_d为0.323 0，与本文仿真所得C_d相对误差仅为3.4%，计算所得MIRA模型纵对称面上流线图及速度云图与PIV试验结果相吻合(如图3所示)，验证了本文数值计算方法及结果的可靠性。

表2  MIRA模型气动阻力系数

Table 2  Aerodynamic drag coefficient of MIRA

图3  MIRA模型实验与仿真对比

Fig. 3  Comparison between experimental and numerical analysis of MIRA model

2  计算结果分析

通过对整个瞬态刮刷过程进行计算，可得出雨刮器受到气动升力的周期性变化规律，如图4所示。

从图4可看出：作用在雨刮器上的气动升力从第3个周期开始呈现出稳定的周期性变化，充分实现了瞬态效应。气动升力沿前风窗法向向外，气动阻力为运动方向的反向。驾驶员处及副驾驶处雨刮器分别为主、副雨刮器，如图5所示。

图4  升力的周期性变化

Fig. 4  Periodic variation of lift force

图5  气动升力及气动阻力示意图

Fig. 5  Diagrams of lift force and drag force

雨刮器与前风窗表面的瞬态压力分布、作用在雨刮器上的气动升力及气动阻力随刮刷角度变化的规律和雨刮器6个离散位置的稳态计算结果如图6~10所示。

2.1  瞬态及稳态气动特性对比分析

2.1.1  上行阶段

图7所示为瞬态上行过程中截取的几幅典型的压力分布图，据图7定性分析雨刮器气动特性的变化机理。从图7可见：

1) 雨刮器从0°到5°的运动过程中，2处雨刮器均离发动机罩较近，受到前风窗与发动机罩交界处低压区的影响较大；随着雨刮器的远离，低压作用逐渐减弱，这就使得气动阻力和气动升力逐渐减小。

2) 雨刮器从5°到27°的运动过程中，2处雨刮器内侧迎风面积增大，使得来流受到雨刮器侧壁的阻滞作用增强；同时，由于雨刮器的橡胶条和支架构成了T型结构，并且与前风窗一起形成了凹槽，高速气流必然在凹槽形成窜动，使得作用在雨刮器上的气动升力不断增大。

3) 雨刮器从27°到50°的运动过程中，会由前风窗表面的高压区进入低压区，这时前风窗表面静压梯度会对雨刮器产生推动作用。同时，雨刮器与来流方向的夹角逐渐减小，使得雨刮器对来流的阻滞作用减弱，故其气动升力不断减小。

主、副雨刮器全程受到与雨刮器行驶方向相同的气动力影响，如图6所示。

从图7可见：副雨刮器在0°到10°运动过程中受到的前风窗与发动机罩交界处低压区的影响逐渐减小，故其受到的推动作用增强，表现为气动阻力减小；在10°到50°的运动过程中，受到前风窗表面静压梯度强度逐渐减小，故其气动阻力呈现回升趋势。主雨刮器在整个上行过程中均稳定地由高压区行至低压区，同时受到不断增强的来流影响，其气动阻力呈现稳定的下降趋势。

图6  上行阶段和稳态时升力和阻力随刮刷角度的变化

Fig. 6  Variation of lift force and drag force with wiping angle in ascending and steady processes

图7  上行阶段前风窗及雨刮器上静压等值线

Fig. 7  Contours of static pressure on windshield and wipers when ascending

2.1.2  下行阶段

瞬态下行过程中截取的几幅典型的压力分布图见图9。从图9可见：

1) 雨刮器从50.0°到47.2°的运动过程中，其运动方向与来流方向相反并且二者夹角逐渐减小，来流对雨刮器的阻滞作用随即增强；另一方面，雨刮器由前风窗表面低压区进入高压区，前方的静压大，后方的静压小，前后压差也对雨刮器造成阻滞作用，使得作用在雨刮器上的气动升力增至最大值。

2) 雨刮器从47.2°到0°的运动过程中，2处雨刮器受到静压梯度的影响逐渐减弱，来流对雨刮器的作用由侧壁转移至上表面，使得雨刮器受到的下压影响增强，表现为气动升力逐渐减小。在接近发动机罩与前风窗交界处的低压区时，主雨刮器受上部低压及副雨刮器尾流的影响，其气动升力有较小回升。

3) 对气动阻力而言，从50°到25°附近，主、副雨刮器内侧迎风面积增大，使其受到运动方向反向的气流作用增强，故其气动阻力逐渐增大；在25°到0°这一行程中，雨刮器受到的静压梯度强度逐渐减弱，同时进入发动机罩与前风窗交界处的低压区，故其气动阻力表现为稳定降低。

图8  下行阶段和稳态时升力和阻力随刮刷角度变化

Fig. 8  Variation of lift force and drag force with wiping angle in descending and steady processes

2.1.3  稳态阶段

从图6和图8可知：雨刮器下行阶段受到的气动升力及气动阻力明显经上行及稳态值时的大。对比图7、图9及图10所示的前风窗表面的压力分布可以看出：下行阶段雨刮器压力梯度明显比上行的大；另一方面，雨刮器下行时，其运动方向与来流方向相反，因此，雨刮器在下行阶段受到的气动升力及气动阻力较大。雨刮器上行时受到的气动升力及气动阻力大于相应的稳态值，主要是由于瞬态模拟可以捕捉到刮刷过程中的动态效应，即雨刮器在瞬态模拟时，其上方气流湍流加剧，形成低压区，同时雨刮器前后的压力梯度较大，使得瞬态结果较大。

2.2  主、副雨刮器气动特性

图11所示为稳态工况下主、副雨刮器流线分布。气流流经副雨刮器到达主雨刮器时，速度大小及方向发生改变，气流流向基本与主雨刮器垂直，这就使得主雨刮器迎风面积剧增，背风面漩涡急剧增强。同时，由图12所示的雨刮器处于30°位置时的速度分布可知主雨刮器前后速度梯度较大，根据伯努利定理，流速越快，气流产生的压力就越小，这就使得主雨刮器受到的压差影响较大。

图9  下行阶段前风窗及雨刮器上静压等值线

Fig. 9  Contours of static pressure on the windshield and wipers when descending

图10  稳态阶段前风窗及雨刮器上静压等值线

Fig. 10  Contours of static pressure on windshield and wipers in steady process

30°时雨刮器周围速度流线图分布如图12所示。从图12可见：主雨刮器背风面气流紊乱，特别是在接近前风窗处产生明显的漩涡；相较于主雨刮器，副雨刮器在30°位置时的气流分布较均匀、平顺，因此，主雨刮器受到的气动阻力及气动升力比副雨刮器的大；雨刮器刮臂前后的速度梯度受其运动工况影响较大，下行时的速度梯度明显比上行的大，而上行时的速度梯度又略比稳态时的大，下行时的漩涡位置也较低，范围也更广，再次验证了瞬态结果大于稳态结果的结论。

图11  30°时雨刮器周围稳态速度流线图分布

Fig. 11  Streamline distribution around wipers at 30°

图12  30°时雨刮器周围速度流线图分布

Fig. 12  Streamline distributions around wipers at 30°

综上所述，在1个运动周期内，作用在主雨刮器上的气动升力和气动阻力的最大值分别为6.50 N和11.20 N，出现在下行47.2°和27°；作用在副雨刮器上的气动升力和气动阻力的最大值分别为4.25 N和8.65 N，出现在下行47°和24°，此结果远大于稳态值，与实际情况相符，并且与文献[9-11]中的结果较接近。

3  结论

1) 瞬态模拟更真实地反映了雨刮器在刮刷过程中的气动特性。在刮刷过程中，雨刮器受到的气动升力及阻力随刮刷角度变化并出现较大波动，最大值出现在下行时某特定角度。

2) 雨刮器下行时受到的气动升力及气动阻力比上行的大，而上行时受到的气动升力及气动阻力又大于相应的稳态值，作用在主雨刮器上的气动升力及气动阻力比副雨刮器的大。

3) 本文采用的数值模拟方法能较好地用于分析雨刮器的瞬态气动特性和雨刮器结构设计与稳定性。

4) 雨刮器和汽车的外形结构、雨刮器的摆动频率、附着在前风窗及雨刮器表面的水膜等都会影响雨刮器的气动特性，以上问题有待于进一步研究。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2016-01-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50975083)；交通运输部新世纪十百千人才培养项目(20120222)；中国高水平汽车自主创新能力建设项目(2007)；财政部创新团队项目(0420036017)(Project(50975083) supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(20120222) supported by the National Hundred, Thousand and Ten Thousand Talent Program of Ministry of Transport of China; Project Supported by China High-Level Automotive Innovation Capacity-Building Projects (2007); Project(0420036017) supported by the Innovation Team of Ministry of Finance of China)

通信作者：陈阵，博士研究生，从事汽车空气动力学研究；E-mail：chenzhen88@hnu.edu.cn