基于CFD的某跑車外流場數值模擬

張震+李旭+崔行振

摘 要：本文以國內某跑車為研究對象，首先使用CATIA三維軟件建立跑車的三維模型，然后用GAMBIT軟件完成體網格的劃分，最后用FLUENT軟件完成數值模擬和后處理，并對跑車的空氣動力性進行研究。結果表明，采用局部優化的方法改變跑車的外形參數，可以優化跑車周圍的速度場和壓力場，降低跑車的風阻系數Cd值和升力系數Cl值。

關鍵詞：跑車車身；Fluent；外流場分析；風阻系數；局部優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.256

0 引言

汽車空氣動力特性是指在運動過程中與空氣的作用力對汽車燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性等性能有重要影響[1]。隨著計算機技術的發展，計算流體力學（CFD）在汽車空氣動力學研究方面的應用也越來越重要，CFD方法具有周期短、成本低，不需實車模型等特點，用此方法分析指導設計，無論在汽車開發還是改進方面，都起到提高產品質量、增強自主開發能力的作用[2]。在計算精度方面，計算結果已經可以把Cx的誤差控制在5%以內。由于ANSYS， STAR.CD， FLUENT以及CFX等商業軟件的大量使用，現在汽車空氣動力學解析系統的研究取得了巨大進步[3]。

跑車在高速行駛時為了減少空氣阻力和保證整車的穩定性，通常車身成流線型、底盤低矮。那么，研究跑車的空氣動力特性就具有重要的意義。本文將采用Fluent軟件對國內某款跑車進行三維外流場的數值模擬，結合模擬的結果和空氣動力學理論對跑車的外形結構進行局部的優化。

1 跑車外流場的控制方程和湍流模型

當汽車高速行駛時，流體雷諾數均大于臨界雷諾數，其流動應按湍流處理。目前對于工程流場計算，常采用平均N-S方程對其進行求解[4]。本文可以用Navier-Stokes方程來描述，在笛卡爾坐標中x，y，z三分量上的動量方程：

式中：P為流體微元體所受的壓力；Fx、Fy、Fz為微元體中流體受到x、y、z三個方向上的體力。

本文的計算假設流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此采用k-ε模型[3]，其表達式是為：

式中，是由平均速度梯度引起的湍流動能所產生；是由浮力影響引起的湍流動能產生；是可壓速湍流S脈動膨脹對總的耗散率的影響，湍流粘性系數；是經驗常數，根據Launder等的推薦值及后來的實驗驗證，模型常數=1.44，=1.92，當主流方向與重力方向平行時：=1；主流方向與重力方向垂直時=0，=0.09；和分別是與湍動能k和耗散率對應的Prandtl數，=1.0，=1.3；和是用戶定義的源項。

2 計算模型的建立及網格劃分

2.1 車身模型

該計算所用跑車模型是參照表1的數據在CATIA軟件中按1：1的比例建立的（見圖1）。為了提高網格的質量和計算的速度，需要對車身模型簡化處理。因此，忽略了跑車的車輪、后視鏡、門把手等部件，同時對車身底部作平整化處理。由于跑車模型是對稱的，本次計算只采用一半的模型。

2.2 網格劃分

根據經驗，為了模擬汽車行駛狀態，模擬使用長方形的計算域，取法為：設定汽車尺寸長×寬×高（L×W×H），計算域應為10L×4W×5H，計算域入口距車頭距離為3L，出口處離車尾長度為6L，寬度左右兩側距離車身距離分別為2W，高度為5H [5]。由于車身外形結構比較復雜，為了提高計算的精度，整個計算域采用結構網格劃分。首先把模型導入Gambit中在跑車表面生成三角形網格，然后用四面體網格對整個計算域進行劃分。同時考慮到空氣具有一定的粘度，所以要在車身表面生成邊界層。為了得到真實有效的計算結果，要對跑車的車身附近進行部加密，采用的網格尺寸為20～40mm，圖2為某跑車對稱面的劃分。

2.3 邊界條件的設置

在用Fluent軟件進行求解計算前，一定要設定跑車外流場的邊界條件。其邊界條件主要包括出口邊界條件、進口邊界條件、固定壁面和車身表面等。出口邊界條件設定為壓力出口（pressure-outlet）；進口邊界條件設定為速度出口（velocity-inlet）；固定壁面和車身表面設定為固定無滑移壁面（no slip wall）；速度大小為40m/s。

本文采用標準模型，Quick一階迎風格式，由經驗公式計算可得：入口處湍流動能k為0.035，湍流耗散率ε為0.0023。

3 跑車外流場模擬結果及分析

通過Fluent軟件的模擬計算之后，可以得到跑車對稱面上的壓力云圖、氣流速度云圖和速度矢量圖。通過比較圖3、圖4、圖5之后，可以了解跑車的空氣動力學特性。

從圖3中可以看出整個跑車的壓力分布特點。其頭部承受的壓力最大，達到了1120 Pa，在其頂部拐角處出現了負壓區，壓力最小值達到了-2310Pa，而其尾部的壓力范圍為-252Pa到91Pa，同時其底部也出現了一個負壓區，但是車身底部的壓力值遠遠大于車身頂部的壓力值。這樣在跑車的頭部和尾部就存在了一個明顯壓力差，同樣的道理，跑車的頂部和底部也存在一個壓力差。正是這兩個壓力差的作用，分別形成了跑車的氣動阻力和氣動升力，進而影響了整個跑車的氣動特性。通過進一步分析，可以得出跑車形成正壓區和負壓區的原因。當跑車在高速行駛時，迎面而來的氣流首先與跑車頭部接觸，氣流的流動受到了阻礙，發生了分離，并且氣流的速度迅速的降下來，于是形成了該處的正壓區。之后分離的氣流依附于發動機罩，由于發動機罩存在一定斜度，流速逐漸變快。當氣流到達發動機罩與前風窗夾角處時，由于風窗阻擋，氣流再次發生分離，流速逐漸變小，在此處形成另一個正壓區域。當氣流流至車頂前緣位置時，氣流發生轉折，流速也相對有所提高。由于該車車頂后緣與后風窗玻璃是光滑圓角過渡，故氣流經過車頂后緣時并未表現明顯的氣流分離。當氣流流至后備箱蓋時，由于后備箱蓋對氣流產生阻礙，使得流速又漸漸變慢。當氣流達到車尾時，由于結構的變化，形成了復雜的尾渦渦流，產生了負壓區[6]。

從圖4和圖5中可以看出跑車氣流速度分布和尾部速度分布的特點。跑車頂部的氣流速度最大，最大值為63m/s，跑車的底部的氣流速度也明顯高于空氣速度，大約為50m/s，跑車頭部和尾部的氣流速度最小值接近了零。通過進一步分析，可以得出跑車頭部和尾部速度降為零的真正原因。首先迎面而來的氣流在受到了跑車頭部的阻礙作用之后，然后氣流分別向上下兩個方向流動，一部分向車頂流動，一部分流向車底，上部氣流在接觸發動機車蓋表面時速度變快，但當遇到擋風玻璃的時候再一次產生了阻礙，之后流速加快，可以看到在汽車前沿流速最大，之后流速下降，但一直維持一個比較大的數值上，在跑車尾部時，氣流又迅速發生分離，同時在尾部形成了一個渦流區 [7]。從圖5中，可以看出來自跑車頂部的氣流在跑車尾部發生了明顯的分離，形成了一大一小兩個渦流。較大的渦流按順時針方向運動，而較小的渦流按逆時針方向運動。渦流會導致跑車的能量損失，加劇了跑車頭部和尾部的壓力差以及跑車頂部和底部的壓力差，這樣就影響了跑車的阻力系數和升力系數。通過計算可得其阻力系數Cd值為0.328，其升力系數Cl值為0.051。對此，可以優化車身的外形參數，尤其是通過改變跑車尾部的形狀來降低尾部渦流的流動，達到提升跑車空氣動力性的要求。

4 跑車車身的局部優化

為了改善跑車的空氣動力性，可以對跑車做局部的優化處理，嘗試改變跑車的一些外形參數，得到不同的跑車模型，然后進行數值模擬，通過比對風阻系數Cd的大小，得到一組較優的外形參數。為此，可以假設A為前風窗角，A的取值為25°、28°、31°；假設B為后風窗角，B的取值為18°、21°、24°；假設C為尾部翹角，C的取值為8°、11°、14°。如表2所示，設計了9組實驗數據并分別獲得了每組的實驗結果。

從優化的效果來看，當A為28°，B為18°，C為11°時，跑車的風阻系數Cd是最小的，只有0.297，相比于原來的0.328下降了0.031，說明跑車的空氣動力性有較大的改善，通過圖6～8可以更加直觀的看出來。在圖6中，跑車頂部的負壓區的范圍明顯的減少了，最大負壓值為-1910Pa，跑車頭部的正壓區范圍也有一定的改善。在圖7中，跑車頂部的氣流速度不再那么劇烈，同時尾部速度為零的區域有明顯的縮小，可以有效的降低跑車的風阻系數。在圖8中，跑車尾部的渦流特性也得到了改善，兩個渦流的強度被明顯的降低了，跑車的能量損失也會降低，使跑車具有了更好的節油性。優化的結果并沒有徹底的消除跑車尾部的渦流，但是極大程度的改善了跑車空氣動力性，所以，這種局部優化的方法還是有實用價值的。

5 結論

（1）應用Fluent軟件對跑車外流場進行了數值模擬，得到了車身的壓力云圖、速度云圖和尾部的速度矢量圖，探討了跑車外流場的流動機理、流動特性和氣動力特性之間的關系，明確了氣動力產生的原因。

（2）根據計算結果，對跑車的外形參數進行了局部優化，可以有效的降低跑車的風阻系數Cd，使Cd值下降了0.031，減弱了跑車尾部的渦流強度。從優化后的計算結果可以看出跑車周圍的壓力場和速度場得到了明顯改善，這進一步說明了對跑車外形局部改進的正確性。

（3）由于條件的限制，本文沒有進行風洞試驗，對計算結果進行修正，改進計算模型以便更好的對跑車外流場進行數值模擬。

參考文獻：

[1]印帥.流動控制在汽車空氣動力學中的應用[D].南京航空航天大學，2012.

[2]閆江.汽車外流場數值模擬研究[J].2013中國汽車工程學會年會，2013.

[3]Koromilas C，Harris C，Sumantran V，et al.Rapid Aerodynamic Development of Two-Volume Vehicle Shapes[C].SAE 2000 World Congress，2000.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT：流體工程仿真計算機實例與應用[M].北京理工大學出版社，2004.

[5]錢娟，王東方，繆小東等.基于CFD的汽車外流場數值模擬及優化[J].制造業自動化，2016，38（04）：74-76.

[6]王琴.轎車外流場的數值仿真與分析[D].南京工業大學，2014.

[7]張峰，王劍，黃霞等.汽車外流場數值模擬及優化設計[J].機械設計與制造，2016（02）：223-227.

作者簡介：張震（1990-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事汽車空氣動力學方面的研究。