汽車外流場研究

2013-07-19 01:57:00梁立友

中國科技信息 2013年21期

梁立友

阿爾特汽車技術股份有限公司, 北京 100000

1 概述

世界能源的危機，石油價格上漲，使得人們對汽車的燃料經濟性要求不斷提高。同時人們對汽車的升力導致的操縱穩定性、側風穩定性和氣動噪音、車尾揚塵等問題越來越關注，這些特性與汽車空氣動力學息息相關。汽車空氣動力學的研究方法主要有三種，道路試驗法和風洞試驗法和計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）法。風洞實測方法造價高、耗資大，而且試驗周期長；道路試驗又受自然條件、交通狀況限制較多，也不容易得到準確結果。CFD法近年來成了研究汽車流場主流工具?？梢栽谛萝囋O計初期造型階段進行空氣動力性能預測，為造型及工程人員優化產品設計提供重要依據，能夠隨時修改部件模型，而試驗卻要受到很多限制，明顯節約物力、財力、縮短開發周期。

本文應用國際主流廠研究經驗，采用STAR-CD軟件，以SUV車型為例，通過對車身、局部要素進行詳細的CFD仿真分析，提出優化方案。

2 模型建立

2.1 基礎模型

造型初期階段，數字模型表面第一版生成，便立即開展CFD分析，對此時模型考慮了如下簡化：車身模型為半車身模型，忽略雨刮器；汽車前部上下格柵做封閉處理；對車身底部做了簡化，沒有考慮小尺度的凸凹不平，只取了大尺度的高低凸凹。車身表面細節包括：門把手、后視鏡、天線、車輪、行李架、擾流板等信息。對車體各部件進行編號，以便調試局部流場過程中進行對比，如圖1所示。

在STAR-CD軟件中對已建立的風洞求解模型進行網格劃分，生成體網格模型，如圖2所示。

圖1 表面靜壓（pa）分布

圖2 風洞求解模型

風洞求解模型分為大域、中間域、小域三個，域參數及網格尺寸見表1。

表1

整車模型網格利用人為干預按照敏感度設定不同網格尺寸，見表2。

表2

2.2 邊界設置

按風洞試驗情況設置邊界條件，特別是車底移動帶位置及尺寸。計算中不考慮溫度的影響，邊界條件見表3。

3 結果分析

經過分析，圖3所示為壓力分布圖，通過觀察可以發現：車頭前部表面高壓區分布范圍比較合理，高壓區域恰好覆蓋機艙進風格柵和空氣室上飾板，有利于機艙進風和室內通風，但車身前部棱角鮮明處的剪切力較大，例如發動機罩前沿和兩側、前大燈兩側、車身前端、保險杠下沿及兩側、輪胎處、霧燈兩側、外后視鏡、A柱、前風擋上端與頂蓋結合處，D柱、后尾燈等處，其他部位氣流流動較為順暢。

從計算結果圖4初版表面模型的速度矢量場中看出氣流在車身尾部產生較多的渦流，且后方渦流范圍較大，加大了氣動阻力。車身后部尾燈處的棱線比較分明，此處產生壓力系數為負值，同時剪切力也較高。經過行李架的氣流在尾部沒有匯合入尾流中，不利于減小風阻。

表4中涂陰影部位是與造型師一起協商挑選出在保持造型的整體格局下可以優化的較敏感的部位。

4 改進方案分析

4.1 優化方向依據

據前人研究發現A柱前表面平滑的寬度設定在30mm以上，風擋兩側的飾條斷差設定在10mm以下減小空氣阻力比較有利，如圖5所示；外后視鏡殼體轉角處R角控制在20mm以上，殼體內側角度設計在4以上會對氣流及雨水走向有利，如圖6所示；后擾流板向下傾斜20、兩側邊緣向車體中間收15 對Cd貢獻最大，如圖7、圖8所示。