基于CFD的汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化

錢(qián) 娟，王東方，繆小東，蘇國(guó)營(yíng)

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816）

0 引言

汽車(chē)空氣動(dòng)力特性是指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與空氣的作用力對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能有重要影響[1]。汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究通常是對(duì)汽車(chē)性能、汽車(chē)流場(chǎng)與壓強(qiáng)、冷卻系統(tǒng)等內(nèi)容進(jìn)行，可以降低氣動(dòng)阻力系數(shù)從而改善穩(wěn)定性，可以減小空氣阻力來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，可以通過(guò)改善內(nèi)部空氣流通散熱提高乘坐舒適性[2]。計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational fluid dynamics）廣泛應(yīng)用于各種數(shù)值計(jì)算，其基本思想是用一個(gè)離散的變量值的集合來(lái)代替原先在時(shí)間、空間域上連續(xù)的物理量場(chǎng)，并建立起能夠代表變量關(guān)系的方程組，最后求解方程組得到變量近似解[3]數(shù)值。計(jì)算CFD技術(shù)在模擬流場(chǎng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在利用CFD可以充分模擬流動(dòng)結(jié)構(gòu)，為之后開(kāi)發(fā)者有效的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和改進(jìn)方案；其次與試驗(yàn)相比縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省試驗(yàn)開(kāi)銷(xiāo)。

1 數(shù)值模擬的基本控制方程

汽車(chē)空氣流動(dòng)的特性實(shí)質(zhì)是流體流動(dòng)、換熱的問(wèn)題，任何流體流動(dòng)問(wèn)題都要遵守基本物理守恒定律，本文可以用Navier-Stokes方程來(lái)描述，在笛卡爾坐標(biāo)中x、y、z三分量上的動(dòng)量方程：

式中：P—流體微元體所受壓力；Fx、Fy、Fz—微元體中流體受到x、y、z三個(gè)方向上的體力。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在流動(dòng)數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛[4]。湍流動(dòng)能k和湍流耗散ε的偏微分方程表達(dá)式分別為：

式中：ul為層流空氣動(dòng)力黏度系數(shù)；ut為湍流黏性系數(shù)；Cμ為湍流常數(shù)，C1z、C2z為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般分別取為：0.09，1.44和1.92。

2 建立外流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.1 建立幾何模型

本文按照某車(chē)型類(lèi)比設(shè)計(jì)建模，采用1:1的比例選用整車(chē)的特征參數(shù)，用CATIA建立了某客車(chē)模型。模型的基本參數(shù)：軸距2907mm，輪距1650mm，最小離地間隙133mm，長(zhǎng)1860mm，寬1760mm，高1500mm。建模過(guò)程中，保留關(guān)鍵特性基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化輪腔、車(chē)輪等的細(xì)節(jié)形狀，將車(chē)身簡(jiǎn)化成封閉殼體，一般認(rèn)為這樣的簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬有很大影響。通過(guò)CATIA建模，最終生成的車(chē)身模型如圖1所示。

圖1 汽車(chē)車(chē)身模型

2.2 劃分模型網(wǎng)格

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了模擬汽車(chē)行駛狀態(tài)，模擬使用長(zhǎng)方形的計(jì)算域，取法為：設(shè)定汽車(chē)尺寸長(zhǎng)×寬×高（L×W×H）,計(jì)算域尺寸應(yīng)為10L×4W×5H（46250mm×7416mm×6860mm）,計(jì)算域入口距車(chē)頭距離為3L，出口處離車(chē)尾長(zhǎng)度為6L，寬度左右兩側(cè)距離車(chē)身距離分別為2W，高度為5H。汽車(chē)底部距離地面間隙133mm。本文在A(yíng)NSYS前處理模塊ICEM軟件中采用八叉樹(shù)（Octree）方法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2為汽車(chē)的網(wǎng)格模型。

圖2 汽車(chē)網(wǎng)格模型

2.3 設(shè)置邊界條件

汽車(chē)外流場(chǎng)的邊界條件主要包括入口、出口的邊界條件、地面和固定壁面的邊界條件。入口邊界設(shè)置速度入口（velocity-inlet），速度大小為30m/s；出口設(shè)置壓力出口（pressure-outlet）；地面邊界設(shè)置無(wú)滑移條件（noslip）；壁面邊界條件設(shè)置固定無(wú)滑移條件（no slip wall）。

本文選擇k-ε湍流模型，由經(jīng)驗(yàn)公式可得：湍流動(dòng)能k=0.03375，湍流耗散率ε=0.00187。

3 汽車(chē)外流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

通過(guò)FLUENT后處理的模塊，可以對(duì)汽車(chē)進(jìn)行外流場(chǎng)進(jìn)行可視化分析。

從圖3和圖4可看出，汽車(chē)車(chē)頭前部、擋風(fēng)玻璃底部、輪胎迎風(fēng)處處于正壓區(qū)。這是因?yàn)楫?dāng)遠(yuǎn)方來(lái)流遇到車(chē)頭時(shí)受阻此時(shí)在汽車(chē)前部形成正壓區(qū)。氣流經(jīng)過(guò)車(chē)頭流向兩個(gè)方向，一部分經(jīng)過(guò)前風(fēng)窗、車(chē)身上部流向車(chē)尾，在經(jīng)過(guò)風(fēng)窗時(shí)因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃的阻力使得氣流減弱，形成正壓區(qū)，在到達(dá)車(chē)身最高點(diǎn)時(shí)，由于較大的氣流速度需要急速轉(zhuǎn)折因而在此形成吸力峰（負(fù)壓區(qū)），同樣在氣流到達(dá)車(chē)尾時(shí)，由于轉(zhuǎn)折的氣流形成大的負(fù)氣壓區(qū)；另一部分的氣流從車(chē)身底部中流向車(chē)尾，當(dāng)來(lái)流遇到輪胎時(shí)，由于輪胎效應(yīng)形成負(fù)壓區(qū)，兩股氣流在汽車(chē)后方并未停止，而是形成了渦流，渦流也是形成氣動(dòng)阻力的影響因素。同樣我們可以看到，汽車(chē)車(chē)身前部與車(chē)身后部相比，前部主要集中正壓，后部大部分是負(fù)壓，從而形成較大的壓力差，汽車(chē)行駛時(shí)所受氣動(dòng)阻力大部分來(lái)自于壓力差，所以消除前后壓力差是關(guān)鍵。

圖5為汽車(chē)速度矢量圖，可看到，拐角相對(duì)較大的地方，如車(chē)頭底部、擋風(fēng)玻璃底部、車(chē)身頂部邊緣及汽車(chē)尾部這些地方的流速相對(duì)較大。與圖3對(duì)比可知：在流速大的地方的壓力梯度較大，在汽車(chē)前部和尾部區(qū)域氣流速度較低。

圖6是車(chē)尾氣流速度矢量圖，汽車(chē)尾部結(jié)構(gòu)是影響渦阻的主要影響力。從圖中可以看出，尾部負(fù)壓值較大，車(chē)身上部分的氣流在邊緣分離x行成一順時(shí)針?shù)鰷u，車(chē)身底部的氣流向上形成一逆時(shí)針?shù)鰷u，漩渦緊貼于車(chē)身尾部。是輕型客車(chē)尾部常常附著較多灰塵與泥水的原因[6,7]。

圖3 優(yōu)化前車(chē)身壓力分布圖

圖4 對(duì)稱(chēng)面壓力分布云圖

圖5 優(yōu)化前車(chē)身速度矢量圖

圖6 車(chē)尾氣流速度矢量圖

本文主要通過(guò)阻力系數(shù)CD評(píng)價(jià)氣動(dòng)特性。其中阻力值是通過(guò)fluent后處理輸出，如圖7所示。從圖中可以看到，氣動(dòng)阻力大小為826N，氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.526。

圖7 優(yōu)化前氣動(dòng)力及其系數(shù)

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，明確了汽車(chē)車(chē)身前后壓差以及汽車(chē)尾部的漩渦及長(zhǎng)距離存在的渦系是形成氣動(dòng)阻力的主要因素，氣流容易在拐角較大處發(fā)生分離，為減小氣動(dòng)阻力系數(shù)，可以對(duì)汽車(chē)車(chē)身造型進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

4 基于空氣動(dòng)力學(xué)的汽車(chē)造型優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案

1）汽車(chē)車(chē)頭高度降低，并設(shè)前翹腳為15o同時(shí)對(duì)前翹腳與車(chē)身前臉進(jìn)行圓弧的過(guò)度處理；2）汽車(chē)底部上翹角度改變?yōu)?o；3）增加后擾流板。

最終生成的優(yōu)化模型如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后車(chē)身模型

4.2 優(yōu)化結(jié)果

圖9是優(yōu)化后的車(chē)身壓力分布圖，從圖中可看出，車(chē)頭部分仍然呈現(xiàn)正壓區(qū)，但通過(guò)優(yōu)化，汽車(chē)前臉部分正壓區(qū)最大值減小，且有利于氣流的通過(guò)，氣流變化平緩，減小阻滯區(qū)。

圖10是優(yōu)化后的對(duì)稱(chēng)面壓力云圖，可以看出，優(yōu)化后的最大正壓值從原先的638MPa減小到590Pa，且原車(chē)頂后部的負(fù)壓區(qū)減小。

圖11是優(yōu)化后的車(chē)身速度矢量圖，從圖中可看出，通過(guò)優(yōu)化，在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與擋風(fēng)玻璃交界處由于傾斜度不大，故氣流最大值減小，且從汽車(chē)底部經(jīng)過(guò)的氣流速度突變減小，從而使得汽車(chē)氣動(dòng)升力可以得到減小。

圖12是優(yōu)化后車(chē)尾處速度矢量圖。從圖中可看出：在車(chē)頂處，氣流變化平緩，降低了汽車(chē)尾流區(qū)域能量耗散；在車(chē)身尾部，氣流得到梳理，形成較弱的漩渦且分散向后方擴(kuò)散。相對(duì)來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后模型表現(xiàn)出良好氣動(dòng)特性[8]。

圖9 優(yōu)化后車(chē)身壓力分布圖

圖10 優(yōu)化后對(duì)稱(chēng)面壓力云圖

圖11 優(yōu)化后車(chē)身速度矢量圖

圖12 優(yōu)化后車(chē)尾氣流速度矢量圖

圖13是優(yōu)化后的氣動(dòng)力及其系數(shù)，從圖中可以看出，優(yōu)化后氣動(dòng)阻力大小為498.34N，阻力系數(shù)CD值為0.312，與原有模型氣動(dòng)阻力系數(shù)CD值0.526相比，氣動(dòng)阻力減小了40.68%。

圖13 優(yōu)化后氣動(dòng)力及其系數(shù)

5 結(jié)論

本文結(jié)合優(yōu)化方案對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)進(jìn)行模擬，不僅驗(yàn)證了局部改型的可行性與正確性，同時(shí)也為車(chē)型進(jìn)一步優(yōu)化減阻打下基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)車(chē)身壓力分布圖、對(duì)稱(chēng)面壓力云圖、車(chē)身速度矢量以及車(chē)尾速度矢量圖等的對(duì)比分析表明通過(guò)優(yōu)化，模型表現(xiàn)出良好的氣動(dòng)性能，氣動(dòng)阻力系數(shù)均得到了一定程度的減小，故該模型是可取的。

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[8] 黃永輝.基于CFD的汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬及車(chē)身造型優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2011.