敞篷轿车的开放式车身在视野、采光、换气等方面更具优势，但其座舱无法像传统轿车能通过隔绝、密封等方法保证乘员舒适的流场环境.不同的敞篷轿车外形对乘员流场环境影响较大，不连续的流场边界易形成分离流、涡流.车辆在室外环境下高速行驶时，过于激烈的气流将给乘员带来强烈的吹风感，导致不适，严重时引起头皮发麻和面颈部痉挛，诱发行驶事故.因此，开展敞篷轿车流场特性的研究，改进敞篷轿车车内流场环境对于提高其乘坐舒适性是十分必要和有意义的.目前，国内外的研究者主要采用数值计算与风洞试验对敞篷轿车的气动特性开展研究，比如Cogotti^[1]探究了某软顶敞篷轿车后窗材质对座舱噪声特性的影响，发现后窗材质为玻璃时，舱内主要为低频噪声，后窗材质为塑料时，舱内主要为高频噪声；Currle^[2]探究了敞篷轿车流场分布特征，针对前挡后缘的气流分离和气流回流现象给出了相应的改进措施，研究发现增加导流板能改变气流分离的位置，增加阻风板能有效减小气流回流；Felix^[3]等人对不同侧窗状态下的某敞篷轿车进行了流场分析对比，发现侧窗数目开启越多，风阻系数越高，针对敞篷轿车风阻系数较高的问题提出了在前挡后缘增加导流板的减阻措施，可减阻5.7%；王东^[4-5]等人通过硬顶轿车和敞篷轿车的流场对比，对敞篷轿车风阻偏大的机理进行了探究，并采用改变车身参数的方法对敞篷轿车进行了气动减阻优化，发现改变挡风玻璃与车尾的外形和尺寸，能控制座舱区域的分离气泡与气流回流，最终实现降阻16%.以上的研究主要集中在整车的气动特性分析及优化方面，对于座舱流场的研究较少涉及.因此，本文采用数值仿真方法对某四座双门敞篷轿车的外流场进行了计算机模拟，探究座舱各区域流场特性随车速提升的变化规律，通过增加气动附件和改变车身外形的方式来改善座舱内的流场环境.

1 流场的数值模拟 1.1 基本控制方程和湍流模型

汽车外流场属于低马赫数问题，空气介质物性参数可被视为常数，可将汽车周围流场看作不可压缩流体.由于车身外形复杂，局部气流分离现象明显，因此汽车外流场属于黏性、不可压缩流，具有典型的三维分离流动的特征，可按湍流处理^[6].湍流计算的基本控制方程为雷诺时均三维不可压缩N-S方程^[7]：

连续性方程：

运动方程：

其中：u_i、u_j为平均速度分量；x_i、x_j为坐标分量；p为作用在微元体上的压力；ρ为密度；μ_eff为湍流有效黏性系数.

N-S方程需引入相应的湍流模型对其进行封闭.Realizable k-ε模型将湍流动能黏度μ_t计算式中的C_μ与应变率联系起来，在处理应变率较大的湍流问题时，约束正应力不会有小于0的情况.它能精确仿真边界层流动、剪切流动等问题，保持雷诺应力与实际湍流的一致性.由于敞篷轿车车身外形不连续，座舱内部涡系复杂，前挡风玻璃后方有剪切流的出现，本文采用Realizable k-ε模型进行数值模拟.关于k和ε的输送方程如下^[7]：

湍流动能k方程：

湍流动能耗散率ε方程:

其中：t为时间；ρ为流体密度；u_i为平均速度；μ_t为湍动能粘度；σ_k和σ_ε分别为湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数；v为y方向的动量；G_k为湍动能k的产生项.

1.2 几何模型建立

使用CATIA建立1：1的敞篷轿车的全尺寸几何模型，敞篷状态模型长4.570 m、宽1.973 m、高1.372 m，为在不影响流场总体特性的情况下提升计算经济性，对模型做了简化处理，去掉对气动特性影响较小的几何特征，如门把手、雨刮、方向盘等结构，对车辆凹凸底盘进行平整处理，使用车轮简化模型替代真实轮胎，并在轮胎底部增加板状凸台，模拟轮胎的承重变形，提升车轮与地面接触位置的网格质量，几何模型如图 1所示.

1.3 网格划分

根据汽车行驶造成的气流扰动空间选定计算域，本文的计算域为5倍车高、7倍车宽、10倍车长的长方体，车体左右两端距两侧壁面3倍车宽，前端距入口壁面3倍车长，后端距出口壁面6倍车长^[8].使用ICEM软件进行前处理，选用四面体与三棱柱划分网格^[9].在车体表面生成三角形面单元，边长尺寸为2~32 mm；在车体表面拉伸3层三棱柱单元，边界层总高为2.64 mm^[10].为能准确模拟车身附近流场，在近车体敏感区域建立长方体网格密度区进行网格加密，再用空间四面体非结构性网格进行空间离散^[9].计算域如图 2所示.

1.4 求解设置

采用CFD仿真软件Fluent作为求解器，通过求解稳态的N-S方程来获得收敛解.将流场设置为不可压缩流，设定车辆在无风条件下行驶，计算域的入口为速度入口，来流速度设为车速.设定计算域的出口为压力出口，压强p为0(以大气压为基准)，入口、出口处湍流尺度l设为8.4 m^[10].车体表面、人体表面、计算域壁面设为固壁无滑移壁面，边界条件的设置如表 1所示.

1.5 网格无关性验证

网格数量和网格质量决定了数值仿真计算的准确性，合理的网格分布能精确捕捉模型的几何特征，也能节省计算资源，加快收敛速度，提升数值计算精度^[11].本文通过改变模型周围网格密度获得梯度网格数量模型.敞篷模型分别生成782万、913万、1 049万的网格，网格质量均为0.2以上.表 2为网格无关性的仿真结果，风阻系数变化范围小于5%且比较稳定，在解决工程问题方面，计算结果满足要求.选取中间值913万作为仿真计算的网格数.

2 敞篷轿车流场分析 2.1 外流场分析

在图 3中，气流流经前脸时受到阻滞，在头部产生较大正压，部分气流经发动机罩导流抬升，在前挡与发动机罩交界处再次受到阻滞，该位置表面压力梯度变化较大.在图 4中，由于挡风玻璃后方车身几何形状不连续，气流流经前挡风玻璃后缘时支撑面消失，发生气流分离.上方气流流速较高，下方气流速度较低，形成剪切流向后流动.气流分成3部分，部分高速气流越过乘客舱后直接脱落，部分气流越过乘客舱后沿行李舱脱落，部分气流冲击后排座椅，导致图 3所示的后排座椅两侧局部静压较高.多股气流在车尾汇流，尾涡尺寸较大.

2.2 座舱流场分析

在图 5所示不同横截面的压力云图中，挡风玻璃后缘处气流的速度梯度变化较大，出现了剪切层分离流动，导致挡风玻璃前后压差较大.座舱内均为负压，负压值约为-200 Pa.在图 6(a)中，气流受到内饰的扰动作用，在座舱内部形成了复杂的涡系.在挡风玻璃后缘发生气流分离后，进入舱内的气流受到内饰和座椅的阻挡，在前后排形成多个纵向涡流；在图 6(b)中，由于座舱中部没有阻隔，受舱内负压的影响，其后部高气压区气流往座舱的低气压区流动，在后排位置至前内饰板区域形成逆向回流，与Currle^[2]的实验现象相同.逆向回流受到内饰板阻挡和车身两侧气流的引导，在前后排形成两对反转涡流:一对以前排座椅为中心的大涡流，其速度比座舱两侧的气流速度高；后排头枕属于局部凸起，气流在该位置受到阻滞，在其后方形成局部涡流.舱内流场表现出一对大涡流、多个局部小涡流的特征.

2.3 不同车速下座舱流场分析

乘员在敞篷轿车中直接与外流场接触，座舱流场环境直接影响人体舒适性.在敞篷模型座舱放置4个人体模型，如图 7.对车速为40、60、80、100、120、140 km/h敞篷轿车进行仿真分析.

在图 8(a)中，轿车低速行驶时，前后排乘员周围风速较低.随着车速提升，座舱内部低速气流受舱外高速气流引导，流速逐渐增加.由于舱内负压增加，气流弯向座舱的趋势逐渐变大.本款车型挡风玻璃的倾角与长度较大，上方的高速气流与前后排乘员头顶始终有一定距离.

在图 8(b)中，随着车速的提升，车身两侧高速气流逐渐内缩，前排乘员头部始终与两侧高速气流有一定距离，当车速高于80 km/h时，两侧高速气流距离后排乘员头部较近，流速较高的气流直接吹向脸部.随着车速的增加，后排的逆向回流流速增加，范围变大.由于两侧气流和回流距离后排乘员较近，其头部附近气流感较强.

3 乘员流场环境分析与改进 3.1 乘员头部附近风速分析

人体对风的感觉是一个复杂的问题，风速、温度、湿度、衣着状况、太阳辐射等因素都会影响人体对风的感觉^[12]，考虑所有因素十分困难.本文的研究主要针对风速对乘员舒适性的影响.目前国内外对敞篷轿车座舱流场环境尚无统一的评估标准，参考相对舒适度(Beaufort)评估标准^[13]和Murakami和Deguchi^[14]对风环境的研究，本文采用表 3中的人行高度风环境评价指标作为敞篷轿车行驶过程中座舱流场环境的评价标准.

人体头颈部较为敏感且无衣物包裹，需对乘员头部区域进行重点分析.为了对前后排乘员头部区域气流速度分布进行参数分析对比，取座舱左侧前后排乘员模型头部两侧、面部、顶部各自距离30 mm的正投影区域作为探测区域，如图 9所示.在座舱内放置4个人体模型，取各探测区域的风速均值作为分析参数.

由图 10可知，随着车速的提升，所有探测区域风速均有上升.在所有试验风速下，前排乘员头部附近整体风速较低，基本处于舒适范围内.当车速达到100 km/h时，受两侧气流影响，前排乘员左脸位置风速开始超过5 m/s.后排乘员头部附近风速整体较高，车速为60 km/h时，后排乘员头部左侧气流风速高于5 m/s.随着车速的增加，两侧高速气流向内弯的趋势逐渐变大，后排乘员头部左侧受两侧气流影响较大.头部右侧因回流效应明显，风速也偏高.当车速到120 km/h以上时，后排脸部两侧风速达到很不舒适的状态.根据以上分析，当车辆高速行驶时，敞篷轿车两侧高速气流和回流对后排乘员头部两侧影响较大.

3.2 改进措施 3.2.1 增加挡风板

为降低后排乘员头部两侧的气流和座舱中部回流的速度，在后排头枕后部增加挡风板，挡风板位置和形状如图 11所示.为探究不同高度的挡风板对后排乘员的流场环境和车辆气动性能的影响，将挡风板高度分别设为60、100、140、180、220 mm.设定行驶车速为100 km/h.

由图 12可知，增加挡风板能削弱进入座舱的两侧气流和回流的速度，所有探测位置风速均有所下降，右侧回流流速下降明显.挡风板的高度越高，后排乘员头部附近风速越低.当挡风板高度为60 mm时，右侧、迎面、头顶处的风速都降至5 m/s，左侧风速离舒适风速范围还有一定距离.当挡风板高度为200 mm时，左侧风速下降至5 m/s附近.由图 13可知，随着挡风板高度的增加，风阻系数逐渐增大.当挡风板高度为220 mm时，风阻系数为0.398，增加了3.92%.由图 14可知，气流在流经挡风墙时受到阻滞，在挡风墙的后方形成了较大范围的负压区域和一对涡流，增加了整车的压差阻力.因此，采用在头枕后方增加挡风板的方式能改善后排乘员的流场环境，但对整车的气动阻力特性有一定影响.

3.2.2 改变后背造型

为能在提升乘员舒适性的同时不影响整车的气动性能，采用改变后背造型的方式来实现挡风和引流的功能.将后背的高度提升至220 mm，如图 15所示.行驶车速为100 km/h.通过图 16发现，提升后背的方式能有效降低后排乘员头部附近风速，其功效与增加挡风板的方式基本相同.

由图 17可知，提升后背高度能有效阻隔回流气流，降低两侧气流的流速，并能引导后背位置的气流在车尾脱离，避免后背处的负压区扩大.由仿真结果可知，提升后背高度至200 mm的风阻系数为0.381，其风阻系数没有增加.

4 结论

本文以某款敞篷轿车为研究对象，应用计算流体力学方法对其进行了流场数值模拟，探究了敞篷轿车的流场分布特征.对不同速度下的座舱流场环境进行了对比分析，针对后排乘员头部附近风速较大的问题，给出了相应的改进措施.所得结论如下：

1) 气流在敞篷轿车前挡风玻璃后缘处分离，在座舱内部形成了一对大涡流和多个局部小涡流.随着车速的提升，由于座舱内部负压的增加，座舱两侧气流和上部气流向内弯曲的趋势逐渐增大，逆向回流范围变广，导致车辆在高速行驶时乘员易受到两侧气流和回流的影响.

2) 在后排头枕后方增加适当高度的挡风板能降低后排乘员头部附近的风速，但会导致风阻系数增加.改变后背造型，提升后背高度至220 mm，发现该方法能在不增加整车风阻系数的情况下改善乘员头部附近的流场环境.