風(fēng)洞對汽車流場模擬的影響

康保利 朱正柱 陳源 夏磊

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 210007)

風(fēng)洞對汽車流場模擬的影響

康保利 朱正柱 陳源 夏磊

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 210007)

影響汽車流場的因素有很多，應(yīng)用仿真軟件，將造型不同處理方法、模型比例和風(fēng)洞對汽車流場的影響進行仿真分析，期望為仿真計算和汽車造型設(shè)計提供參考依據(jù)。

流場；模型比例；風(fēng)洞

CFD(近代流體力學(xué))技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始首先在歐美國家應(yīng)用于汽車設(shè)計，起初計算對象還僅限于車體的基本形狀，最近發(fā)展到了包括后視鏡、擾流板、發(fā)動機艙、車輪等復(fù)雜的車體模型。

風(fēng)洞對試驗結(jié)果影響很大，應(yīng)用仿真軟件，將造型不同處理方法和模型比例對汽車流場的影響進行仿真，同時將風(fēng)洞對試驗結(jié)果的影響進行分析，期望為仿真計算和汽車造型設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 模型前處理

1.1 實車模型

圖1為參照的某型汽車實車模型。

圖1 實車模型

圖2 車身網(wǎng)格分布示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用混合網(wǎng)格技術(shù)對風(fēng)洞進行空間劃分，距車身較遠的地方采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，車身表面和車身周圍采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格過度均勻。圖2為車身網(wǎng)格分布示意圖。

1.3 提高計算精度和網(wǎng)格質(zhì)量的相應(yīng)措施

(1)發(fā)動機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著許多的油、水、電管道，為了便于進行流場分析，把艙內(nèi)對流場影響比較小，但是增加建模復(fù)雜程度的線路和管路進行簡化或者省略；面與面之間過渡平緩。

(2)車身面網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響體網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。比如后視鏡的面較小，宜劃成較小的面網(wǎng)格，與后視鏡相連的面宜劃成較大的面網(wǎng)格，外層與之相連的大面宜劃成更大的面網(wǎng)格，網(wǎng)格面積過渡不宜相差太大，對車輪和發(fā)動機艙面網(wǎng)格的劃分也用相應(yīng)的辦法處理。在仿真軟件中不斷對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，對一些質(zhì)量不高的網(wǎng)格進行重劃，最終使質(zhì)量較差的體網(wǎng)格數(shù)控制在較低的范圍之內(nèi)。

圖3 汽車造型不同處理方法的Gambit模型

圖4 含后視鏡和車輪模型的車身壓力分布圖

圖6 汽車造型不同處理方法的流場跡線比較

圖5 含后視鏡和車輪模型的速度矢量圖

(3)在仿真軟件中通過控制命令也能提高一定的網(wǎng)格質(zhì)量。

2 計算方法和邊界條件

2.1 計算方法

模擬車速為100 km/h(如車速非100 km/h則另有交代)，遠低于100 m/s，所以此時的空氣應(yīng)屬于不可壓縮范圍，計算模型應(yīng)該選擇三維定常不可壓縮粘性流動。采用三維不可壓縮雷諾平均方程N-S方程和RNG 湍流模型；控制界面的物理量應(yīng)用二階迎風(fēng)差分格式獲得；并運用SIMPLEC壓力修正法進行迭代。

表1 汽車造型不同處理方法的氣動參數(shù)

為了比較精確地模擬汽車流場，采用RNG模型。RNG模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術(shù)，RNG模型改善了e方程的精度，同時提高了湍流漩渦的精度。這些特點使得RNG模型比標(biāo)準(zhǔn)模型在更廣泛的流動中有更高的可信度。

2.2 邊界條件

在仿真軟件中選擇3D求解器和RNG湍流模型；風(fēng)洞入口為速度入口邊界條件，車速為100 km/h(28 m/s)，方向垂直入口面，入口處的湍流度設(shè)為0.5%，因為湍流度較小，故將湍流粘性系數(shù)和層流粘性系數(shù)之比設(shè)為10；出口為壓力出口邊界條件，大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面為無流邊界，采用無滑移邊界條件，速度為零[1]。

3 造型和模型比例對仿真結(jié)果的影響

圖3 為汽車造型不同處理方法的簡化模型。

表1為汽車造型不同處理方法的氣動參數(shù)。汽車由最初設(shè)計到加后視鏡，再到加車輪，阻力和阻力系數(shù)增大，升力和升力系數(shù)也增大。模型之間的阻力系數(shù)相差為0.0031和0.0205，加車輪影響較大。模型之間的升力系數(shù)相差為0.0223和0.2310，也是加車輪的影響較大。特別注意的是加車輪后，升力系數(shù)為正值，這對汽車操縱穩(wěn)定性不利。

圖4為含后視鏡和車輪模型的車身壓力分布圖。圖5為含后視鏡和車輪模型的速度矢量圖。車頭前部為一明顯高壓區(qū)，因此將發(fā)動機艙冷卻風(fēng)進口設(shè)置在此，有利于發(fā)動機的冷卻和散熱。擋風(fēng)玻璃與發(fā)動機罩夾角處也為一明顯高壓區(qū)，這是將駕駛室進風(fēng)口設(shè)置于此的主要原因。

表2 阻力系數(shù)的比較

表4 開式風(fēng)洞與閉式風(fēng)洞的氣動參數(shù)

圖6為汽車造型不同處理方法的流場跡線比較圖。圖中A與B的流場跡線較為接近，這是因為加后視鏡對該型轎車氣動性能影響并不明顯。C添加了車輪，這使得氣流受地面和車底粘性阻滯作用增大，氣流流速減慢，導(dǎo)致尾流明顯下沉，故對該型轎車氣動性能影響較大。

4 風(fēng)洞對仿真結(jié)果的影響

4.1 地面效應(yīng)的影響

汽車為地面運動鈍體，行駛時受到汽車底部和地面之間的氣流干擾，故受地面效應(yīng)的影響。在風(fēng)洞試驗時，給定地面一個相對車身向后的速度來模擬地面效應(yīng)，由于風(fēng)洞阻塞效應(yīng)的存在，故將僅考慮地面移動和考慮地面及洞壁移動一起仿真分析。表2和3給出了不考慮地面效應(yīng)和兩種地面效應(yīng)模式的比較。不考慮地面效應(yīng)的阻力系數(shù)隨著阻塞比的增大而增大，兩種地面效應(yīng)模式的阻力系數(shù)隨著阻塞比的增大而減小，且三者阻力系數(shù)的差距隨著阻塞比的增大而減小，僅考慮地面移動的阻力系數(shù)最大，不考慮地面效應(yīng)的阻力系數(shù)最小，僅考慮地面移動的阻力系數(shù)和考慮地面及洞壁移動較接近。不考慮地面效應(yīng)的升力系數(shù)最大，三者升力系數(shù)：阻塞比為1.22%小于阻塞比為0.46%和4.15%，僅考慮地面移動的升力系數(shù)和考慮地面及洞壁移動較接近。

圖7 開式風(fēng)洞模型

4.2 開式風(fēng)洞的影響

開式風(fēng)洞是與閉式風(fēng)洞相對應(yīng)的，圖7為建立的開式風(fēng)洞模型。選用的阻塞比為1.04%，表4給出了開式風(fēng)洞與閉式風(fēng)洞的氣動參數(shù)，阻力系數(shù)：閉式風(fēng)洞比開式風(fēng)洞高約1.8%；升力系數(shù)：開式風(fēng)洞比閉式風(fēng)洞高約12.5%。

5 結(jié)論

通過上述分析，可得以下結(jié)果：

(1)加車輪使該型轎車的阻力系數(shù)增加0.0205，升力系數(shù)增加0.2310，高于加后視鏡的0.0031和0.0223。

(2)僅考慮地面移動和考慮地面及洞壁移動對仿真結(jié)果影響很大，僅考慮地面移動和考慮地面及洞壁移動的阻力系數(shù)大于不考慮地面效應(yīng)，升力系數(shù)小于不考慮地面效應(yīng)。

(3)選用阻塞比為1.04%進行仿真計算，閉式風(fēng)洞的阻力系數(shù)比開式風(fēng)洞高1.8%；開式風(fēng)洞的升力系數(shù)比閉式風(fēng)洞高12.5%。

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