基于PowerFlow的重型車外氣動(dòng)性能分析及優(yōu)化*

張克鵬

（陜西重型汽車有限公司）

重型車的前擾流板安裝在駕駛室前面罩兩側(cè)，其形狀及其翅片角度和長度不僅影響整車風(fēng)阻系數(shù)，同時(shí)影響車身門把手位置的流場，進(jìn)而影響該處的除塵效果?；谟?jì)算流體力學(xué)（CFD）的車輛空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值技術(shù)已經(jīng)在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]，大部分商業(yè)化CFD軟件的求解器都是基于有限體積法[2-4]。近年來，基于“格子波爾茲曼算法”的大型商用CFD軟件PowerFlow進(jìn)入工程應(yīng)用中，通過PowerFlow計(jì)算結(jié)果與實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)作對(duì)比，精度都得到了很好地證明[5]。文章利用PowerFlow對(duì)某重型車進(jìn)行整車外流場CFD模擬和改進(jìn)，從而提升整車氣動(dòng)性能。

1 模型建立及邊界條件

1.1 模型建立

計(jì)算模型為某重型車，其三維模型，如圖1所示。為了便于考察模型細(xì)節(jié)處的流場情況及保證其計(jì)算的準(zhǔn)確性，PowerFlow保證計(jì)算模型與實(shí)際三維模型完全一致，保留了所有曲面過渡及細(xì)小部件，并采用1∶1實(shí)際模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖2示出放大后的前擾流板模型。模型中前擾流板的翅片角度為水平狀態(tài)，從圖2中可以看出，網(wǎng)格模型與幾何模型一致性非常好，保留了所有細(xì)節(jié)部分，沒有對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，充分保障了計(jì)算的精確性，避免了由于模型簡化帶來的誤差。

進(jìn)行整車外流場分析時(shí)，其模擬風(fēng)洞要減小其阻塞效應(yīng)。研究表明，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果低于1%時(shí)，阻塞干擾產(chǎn)生的誤差不需要修正。根據(jù)這一理論，計(jì)算域上部留6倍車高，左右各5倍車寬，汽車尾部一般設(shè)定8倍車長的區(qū)域。鑒于重型車總車長較長，這里選擇6倍車長區(qū)域，保證汽車湍流區(qū)域充分發(fā)展；對(duì)于汽車前部，由于設(shè)定的風(fēng)洞入口的風(fēng)速比較穩(wěn)定，為了充分模擬汽車前部的空氣流動(dòng)，汽車前部區(qū)域也要留出一定空間，前部取4倍車長[5]。

1.2 邊界條件的設(shè)定

重型牽引車外流場的數(shù)值模擬過程中，前端來流方向的端面為入口邊界，設(shè)定入口邊界為速度入口，流速為100 km/h，出口邊界為壓力出口，出口壓力為0（相對(duì)于大氣壓）；汽車模型設(shè)置為固壁無滑移壁面邊界，計(jì)算域左右側(cè)面和頂面以及汽車前端地面設(shè)置為滑移壁面邊界，速度與來流方向速度相同，汽車附近及后部地面設(shè)置為固壁無滑移壁面邊界，車輪為旋轉(zhuǎn)車輪。

風(fēng)扇模型采用旋轉(zhuǎn)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)按照多孔介質(zhì)處理，將其臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)作為輸入條件。散熱器、冷凝器及中冷器也采取同樣的方法，將修正后各模塊單體性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入。

2 CFD計(jì)算結(jié)果分析

2.1 氣動(dòng)阻力分析

氣動(dòng)阻力與氣流流經(jīng)車身的過程有關(guān)。氣流在流經(jīng)車身時(shí)產(chǎn)生附面層、氣流分離及漩渦。這三部分構(gòu)成了汽車所受的氣動(dòng)阻力。附面層表現(xiàn)為摩擦阻力，氣流分離表現(xiàn)為壓差阻力，而漩渦表現(xiàn)為誘導(dǎo)阻力。

圖3示出從前往后沿車身長度方向的阻力發(fā)展曲線。從圖3中可以看出，在汽車行駛過程中，前方氣流到達(dá)駕駛室前部，此處風(fēng)阻系數(shù)驟然上升；氣流流過駕駛室頂部時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)又急速下降，之后又有小幅上升；到了汽車尾部時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)突然直線上升，最終風(fēng)阻系數(shù)為0.544。

圖4示出該模型靜壓等值云圖。從圖4可知，在汽車行駛過程中，前方氣流首先遇到駕駛室前部，在此處氣流滯止，阻力發(fā)展曲線中風(fēng)阻系數(shù)直線上升；在前面罩、保險(xiǎn)杠及擋風(fēng)玻璃的大部分區(qū)域形成較大的正壓，迫使氣流向汽車頂部、側(cè)面和底部分流。由駕駛室上部分流的氣流流過駕駛室上邊緣和A柱及后視鏡附近時(shí)，產(chǎn)生小的氣流分離區(qū)域，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，且壓力梯度較大，阻力發(fā)展曲線中風(fēng)阻系數(shù)降低。氣流流過駕駛室后，通過駕駛室頂導(dǎo)流罩，靜壓有所上升，阻力發(fā)展曲線中風(fēng)阻系數(shù)再次上升。

圖5示出該重型車在中心對(duì)稱面處的速度矢量云圖。從圖5中可以看出，駕駛室后圍與貨箱的間隙處氣流速度較低，駕駛室后部產(chǎn)生了一個(gè)大尺度漩渦，氣流在此處能量損失較大；流過汽車底部的氣流速度較低，壓強(qiáng)較高，尾部壓降較低，從汽車底部流出到達(dá)尾部的氣流，在這個(gè)壓強(qiáng)差的作用下上卷，在尾部形成較強(qiáng)的上卷漩渦，形成較強(qiáng)負(fù)壓，這一負(fù)壓是汽車壓差阻力的重要來源，也是阻力發(fā)展曲線中汽車尾部阻力系數(shù)直線上升的原因，漩渦隨著離開汽車的距離增大而逐漸減弱。

圖6示出該重型牽引車中心對(duì)稱切面的總壓云圖?？倝簽殪o壓與動(dòng)壓之和，總壓在一定程度上就代表氣流動(dòng)能。其中總壓計(jì)算公式為：

式中：Pt——總壓，Pa；

Ps——靜壓，Pa；

ρ——?dú)饬黧w積質(zhì)量，kg/m3；

v——?dú)饬魉俣?，m/s。

從圖6中可以看出，駕駛室遮陽板設(shè)計(jì)較好，能量損失較少。貨箱和駕駛室后圍之間能量損失嚴(yán)重，這一點(diǎn)從阻力發(fā)展曲線也可以得以證實(shí)。

2.2 車身門把手除塵效果分析

由于重型車路況一般比較惡劣，所以也容易沾染灰塵，通過改善車身流場分布，可以在汽車行駛過程中減少車門把手位置的塵土，減少駕駛員擦拭車門把手位置的次數(shù)。

圖7示出該車車身表面氣流流線圖。從圖7可以看出，行駛過程中，前方氣流首先遇到駕駛室前部，在駕駛室兩側(cè)進(jìn)行分離，從車身前擾流板流過的氣流受導(dǎo)流翅片的導(dǎo)向作用，順著車身向上流動(dòng)，部分沖擊輪罩外面車輪上的氣流也順著向上流動(dòng)，與經(jīng)過前擾流板的氣流匯合，形成渦流。圖8示出這2股氣流的流線路徑圖。從圖8中可知，如果通過前擾流板的清潔氣流越多，且氣流能流過車身門把手位置，則將車輪卷起的帶塵土的氣流沖擊帶走的越多，車身門把手位置除塵效果就越明顯。

圖9示出PowerFlow軟件中該重型車的除塵效果圖。圖9中藍(lán)色曲線以下的白色顆粒部分都是塵土沾染的區(qū)域，門把手位置也受到塵土的污染，除塵效果需要改善。從前面分析可知，通過改進(jìn)車身前擾流板的設(shè)計(jì)可以改變門把手區(qū)域的流場，進(jìn)而影響該位置的塵土附著情況。

3 前擾流板改進(jìn)措施

3.1 翅片角度變化

通過之前的分析可知，前擾流板翅片可以影響流經(jīng)車身的流場，為了兼顧整車風(fēng)阻系數(shù)及車身門把手位置的除塵效果，將前擾流板翅片角度分別下傾5，10，15°，并保持各個(gè)翅片平行，如圖 10 所示，風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 翅片角度與風(fēng)阻系數(shù)關(guān)系

從表1可知，隨著翅片角度的增大，風(fēng)阻系數(shù)逐漸降低，最大降幅為翅片角度下傾15°時(shí)的3.13%。

3.2 翅片長度變化

在各個(gè)角度變化的前提下，將翅片長度伸長15mm，如圖11所示，翅片角度變化后的風(fēng)阻系數(shù)，如表2所示。從表2可知，翅片長度都伸長15 mm后，風(fēng)阻系數(shù)不是隨著下傾角度增大而增大，風(fēng)阻系數(shù)在角度下傾10°時(shí)達(dá)到最小值0.526，較原結(jié)構(gòu)下降3.30%。除塵效果，如圖12所示。

表2 前擾流板翅片伸長15 mm與風(fēng)阻系數(shù)關(guān)系

圖12中，藍(lán)色曲線以下是原前擾流板設(shè)計(jì)方案下的塵土沾染區(qū)域，黃色曲線以下是改進(jìn)后的塵土沾染區(qū)域，很明顯，改進(jìn)后的除塵較原方案效果顯著。

3.3 前擾流板最終方案

前面方案僅僅是將前擾流板的翅片角度統(tǒng)一進(jìn)行變化，得到其對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)及車身除塵效果的影響。通過分別不斷改變前擾流板4個(gè)翅片角度，進(jìn)行多輪優(yōu)化組合，兼顧前擾流板改變后對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)及車身門把手位置除塵效果的影響，最終得到前擾流板翅片角度布置，如圖13所示。前擾流板翅片角度下傾15°時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)較?。?.527），較原方案降低了3.13%，除塵效果比之前的更加顯著，最終除塵效果，如圖14所示。

圖14中，綠色曲線以下是前擾流板最終方案下的塵土沾染區(qū)域，從圖14中可以看出，最終方案下的除塵效果較之前的都比較明顯。

4 結(jié)論

采用基于“格子波爾茲曼算法”的大型CFD商業(yè)軟件PowerFlow進(jìn)行了某重型車的整車外流場分析，結(jié)果顯示：重型車原始模型阻力發(fā)展曲線，其風(fēng)阻系數(shù)為0.544；通過車身表面流線圖，并分析車身塵土沾染原因，提出將前擾流板翅片角度下傾15°時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較?。?.527），較原方案降低了3.13%，除塵效果顯著改善。為汽車前擾流板的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。