基于CFD的某汽車外流場數值模擬與分析*

雷榮華

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074)

0 引言

近幾十年以來，我國汽車工業飛速發展，汽車諸多性能得到了很大的提高，例如行駛穩定性以及乘員舒適性，同時又隨著我國高速公路網的完善與道路質量的提升，使得汽車行駛速度有了提升的前提。但速度提升的同時，汽車的行駛阻力也越來越大。當汽車的行駛速度超過100 km/h時，氣動阻力占總阻力的近80%［2］。當前，各大汽車廠商的研發部門對由傳動系、發動機等的振動引起的噪聲的傳播機制研究得比較透徹，故振動噪聲得到很好地控制［1］。但由氣流而引起的氣動噪聲的控制還不夠完善，使得氣動噪聲的研究成為汽車工業研究一個熱點。

1 網格劃分與前處理

流體運動要受物理定律的支配，滿足以下三個流體動力學基本控制方程:

(1)連續性方程:

(3)能量方程:

《道路交通安全法》規定高速公路最高時速120 km/h，遠低于聲速的1/3(408 km/h)，因此在對汽車外流場模擬時可以把周圍氣體當做不可壓縮流體。

1.1 網格劃分

原轎車在CATIA中建立了與實車1∶1比例的stl格式幾何模型，忽略了雨刮器，門把手等，并對底盤進行平整，再導入STAR－CCM+中進行網格劃分。設置計算域長度為10倍車長，寬度為9倍車寬，高度為5倍車高，長寬高分別為 42 m，15.3 m，8.5 m。為了獲得汽車細小部位(如后視鏡)的湍流形態，以車體為中心，選擇切割體網格，由外到內逐步加密。為了節省CPU的運算時間，選取左側半個計算域進行網格劃分。最終生成的半車計算域網格數量為214萬，如圖1(a)與(b)所示。

圖1 計算域加密網格模型

1.2 物理模型的指定

采用定長，分離求解器，k－epsilon與 Reynold－Averaged Turbulence湍動模型，proundman寬帶噪聲源。

1.3 邊界條件的指定

取車頭方向所指的計算域端面為velocity－inlet，氣流速度為車速;車尾方向所指的計算域端面為pressure－out，壓強為0 Pa;車身表面和對稱面為wall(no slip);頂面，側面和地面為wall(slip);此處采取了移動地面的方法。

2 模擬結果分析

汽車阻力系數Cd的定義:

式中:F為空氣阻力;ρ為空氣密度;V為汽車速度;A為車身前方投影面積。分別設速度為30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h，100 km/h 進行模擬計算。經模擬結果與試驗結果對比發現誤差均在5%以內，符合精度要求。如，當速度為100 km/h時，Cd=0.337，與試驗 Cd=0.334 相比，相差1.02%。各個速度工況下試驗值與模擬值的對比情況如圖2所示。

圖2 風阻系數Cd試驗值與模擬值

2.1 壓強云圖分析

圖3 為汽車對稱面壓強分布云圖。

圖3 汽車對稱面壓強云圖

由圖3可知汽車前臉與后視鏡向風部壓強最大，來流空氣與汽車前臉相遇，而使氣流受到阻滯，氣流流速降低，壓強變大，因此形成了第一塊正壓區域［3］。汽車后視鏡也形成局部小范圍正壓區域，因為后視鏡是汽車突起物，在氣流方向上的投影面積大，迎風面大。汽車尾部存在大片負壓區，車體前后壓差形成汽車行駛阻力。例如可增大后視鏡的側面倒角減低局部的壓強，從而減低汽車前部壓強。

2.2 表面聲功率分析

圖4為車身表面聲功率云圖。車身聲功率可由車身聲壓計算得到，值的大小表明了單位時間向外輻射聲能的能力［4］。從圖中可看出，前臉、后視鏡和A柱的聲功率分布比較集中，輻射噪聲的能力比較強。從前面對于壓強云圖的分析得知，汽車壓強最大部位為前臉和后視鏡處，因此，在壓強梯度高、聲功率值大的地方，產生的氣動噪聲的能力也較強。

圖4 車身表面聲壓云圖

3 結論

(1)汽車前后的壓差阻力主要源于汽車周圍的壓強分布，且車速越大，發動機克服的總阻力中氣動阻力所占比例也越大。通過優化車身外形，減少汽車頭部的壓力或者升高汽車尾部的壓力，都可以有效降低壓差阻力，提高汽車性能。

(2)車身前臉、后視鏡、A柱這些直接與高速氣流相遇的部件，由于其邊緣較小，是噪聲的產生直接原因。調整前風窗玻璃處的傾角與后視鏡的圓角大小，控制氣流分離，因而降低噪聲。

［1］ 傅立敏.汽車空氣動力學［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］ 張式杰.汽車噪聲分析與降噪措施及噪聲測量方法［J］.汽車實用技術，2011(2):55－60.

［3］ 汪怡平.汽車風窗噪聲與風振噪聲的機理及控制方法研究［D］.長沙:湖南大學，2011.

［4］ 王 振.汽車外場氣動噪聲仿真與計算［D］.株洲:湖南工業大學，2012.