某皮卡車在開關窗工況下的空氣動力學特性研究

王紅鋼 徐磊 陳曉

1 引言

汽車空氣動力學是研究汽車在行駛過程中與周圍空氣之間相互作用，以及空氣對汽車各性能影響的科學。而隨著計算機和數值仿真技術的迅速進步，屬于交叉學科的汽車計算流體力學（ Computational Fluid Dynamics）在汽車的設計制造過程中得到了廣泛應用。汽車空氣動力學特性直接影響汽車的動力性、安全性、操縱穩定性、燃油經濟性和舒適性等。

汽車空氣動力學的研究手段分主要分為：試驗研究、理論分析和數值計算。目前汽車空氣動力學研究是以風洞試驗研究為主。風洞試驗的數據結果一般可信性度較高，但是風洞試驗受限于試驗方法、手段、設備及試驗經費等實際客觀條件，再者風洞試驗周期較長，此外尚有一些特定問題無法在試驗中得到解決。

理論分析法的特定在于科學抽象，利用數學計算方法求出相對理論結果，來揭示汽車一空氣的內在規律及空氣動力產生機理。但是理論分析法受限于數學工具及求解方法，通常只能建立較為簡單的近似模型和特定的工程經驗公式，無法滿足復雜的工程實際應用。

與試驗研究和理論分析相比，汽車計算流體力學不僅能夠模擬絕大部分試驗結果，代替部分試驗環節，而且省時省力，同時它還能揭示和分析一些試驗方法無法處理的復空氣動力學問題和現象。汽車計算流體力學的進步也促進了汽車試驗研究和實際理論分析方法的發展，三者相輔相成共同推動了汽車空氣動力學特性的深入研究。

2 基本控制方程

計算流體力學方法是對汽車周圍三維湍流流場的控制方程用計算數學的算法將其離散到一系列網格節點上求其離散數值解的一種方法[3]。根據流體力學理論，不可壓縮粘性流體平面運動，可以用橢圓型泊松方程和擬拋物線型方程表示：

3 CFD模型的建立

3.1 三維模型建立

為研究皮卡車不同車窗開度對整車空氣動力性特性的影響，根據皮卡車整車參數構建車窗全開啟、車窗全關閉、車窗左側開啟右側關閉和車窗前面開啟后面關閉（為便于捕述，依次用工況I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示），共4種工況下的流體力學分析計算3D模型。模型采用UGNX8建立，模型對皮卡車實體表面做了簡化處理，3D模型去除了車門把手、后視鏡車燈等，同時對皮卡車的底部做了平整處理。上述對模型的改變對皮卡車流場的總體特性影響較小，但是可以提高計算模型的經濟性。四種工況的三維模型如圖1：

3.2 CFD模型前處理

皮卡車的基本三維模型建立之后，下一步工作就是選擇一個與壁面不相臨的計算域，通常采用規則的長方體或者正方體。本文的計算采用長方體，長方體的各個面與某一坐標軸平行或垂直，這有利于生產控制網格。計算入口為對稱均勻來流，計算域劃分為兩個部分，第一部分為車身附近的區域，采用一個與汽車外形大致近似的多面體將汽車包裹其中，以在此區域內生成四面體網格，并在車身表面拉伸三棱柱網格；多面體之外為第二部分，在此區域內生成六面體網格。根據經驗，計算流場仿真時所選取的計算域到一定的大小時，汽車流場就不再會受計算域大小的限制。所以本文的計算域長度取9倍車長（其中入口距汽車最前端2倍車長，出口距汽車最后端6倍車長）；計算域高度為4倍車高；計算域的寬度為3.5倍車寬，即計算域側面距車側最外緣為3倍車寬[4][5]。

網格劃分：在CFD計算中，網格的劃分技術是影響求解速度和精度的重要因素之一。另外CFD計算對網格劃分有著較嚴格的要求：邊界層網格、流場變化劇烈的區域要求網格局部加密。車身表面及其附近采用靈活性好、對復雜外形適應能力強的四面體網格；由于計算區域非常大，為了節省計算機內存，加快網格生成速度及減少計算時間，在遠離汽車的大區域采用比較規則且迭代收斂較快的六面體網格；同時，為了更好地捕捉流體在汽車表面的流動特性，在車身表面拉伸三層三棱柱網格。

邊界條件：速度入口邊界，速度依次30、50、60、70、80、100、120km/h，方向垂直于入口壁面湍流動能k-0.03375；出口：自由流出邊界；地面：滑移地面邊界；頂面和側面：移動避面邊界，對稱邊界。

計算機設置截斷誤差0 001，最大計算迭代步數1000。

4 皮卡車外流場數值仿真結果

通過ANSYS計算得到4種工況下模型在不同速度下受到的行駛阻力以及風阻系數如表l所示。

四種工況的整車壓力和整車流線計算結果如下圖所示。

由CFD計算結果可以看出4種工況下的皮卡車壓力最大部位均為車輛前下部，由于車輛前部在行駛過程中為主要迎風面，中上部的流線造型要比中下部流暢，因此對氣流的阻礙也較小，所以壓力的最大部位集中在車輛的中下部。對比4種工況下皮卡車的風阻系數和車輛所受空氣阻力，可以發現車窗關閉工況下的風阻系數和空氣阻力最小，車窗全開工況下的風阻系數和空氣阻力最大，工況Ⅲ和工況Ⅳ居中，而且隨車速的增加行駛阻力數值的差距也隨之增大。雖然車輛車窗在車輛的縱向平面，對車輛整體的動力性特性影響不大，但是車窗的開啟也會對車輛的整體空氣動力學造成影響，車窗開啟會使流過車體表面的氣流產生局部紊亂，產生小范圍的局部渦流，車輛四個車窗開啟的越多此影響也就會越多，對比工況I和工況Ⅱ整車流線圖也可以說明這一點。

5 結語

應用CAD軟件和CFD軟件通過對汽車的仿真分析，能夠較準確的反應車輛的氣動特性，可以減少進行風洞試驗的次數，加快汽車開發周期。本文對某皮卡車建立了四種不同開窗工況的三維模型，對模型進行了外流場特性仿真分析，結果表明，不同的車窗開啟方式會改變皮卡車的外流場特性，而隨著車速的提高，該流場特性改變也就越大。另外從皮卡車行駛阻力上分析，高速工況下開啟車窗會較大程度增加車輛行駛阻力，對車輛的燃油經濟性不利。