CFD數值模擬的整車降風阻技術研究

趙會芳,李小梅,楊文娟,彭婧

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車空氣動力特性對汽車的動力性、燃油經濟性和操縱穩定性等都有直接的影響。研究汽車空氣動力學特性、優化汽車造型、減小汽車行駛空氣阻力是提高汽車動力性、燃油經濟性和操作穩定性的重要途徑。目前汽車空氣動力學特性的研究手段有風洞試驗、道路試驗和數值模擬研究。汽車風洞模擬試驗室需要數十億美元的設備投資，每小時風洞試驗費用近3萬元人民幣，相當昂貴。道路試驗需在產品生產完成后才能進行。CFD數值模擬以經典力學理論為基礎，借助大型計算機工作站完成大量的數學計算求解，大大提高了計算的周期性和準確性。CFD數值模擬可以充分展示流場的流動結構，有助于分析出相應試驗測試結果的原因，從而能夠更高效地發現好的改進方向和方案，為汽車前期造型提供重要依據，減少后期的設計變更，從而減少了風洞試驗而花費的巨大財力、人力和物力。

利用Fluent軟件對某公司開發的一款商用MPV進行了CFD數值仿真。并以仿真結果為依據進行造型優化，最后通過對優化后整車造型進行數值模擬，從而驗證方案的可行性。

1 理論基礎

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相交物理現象的系統所作的分析。CFD可以看作是在流動基本方程(質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數值模擬，它的基本思想是：把原來在時間或空間域中連續的物理量的場，用一系列離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間的關系的代數方程組，然后求解方程組以得到場變量的近似值。

由于RNGκ-ε模型在標準的κ-ε模型基礎上改進了湍流黏度和耗散率的計算，可以更真實地反映高應變率及流線彎曲程度較大的流動[1]，因此，文中采用RNGκ-ε模型進行數值模擬。由于該模型對充分發展的流場有效，故對近壁區內的流動及雷諾數較低的流動要采用壁面函數法或低雷諾數的κ-ε模型來處理[2]。

1.1 湍流瞬時控制方程

對于空氣來說，當風速小于1/3聲速時，也就是風速小于408 km/h，可以認為是不可壓縮氣體。而對汽車來說，最高速度一般都小于400 km/h，因此汽車空氣動力學研究可以把周圍的氣體考慮成不可壓縮的[3]。其質量守恒方程為：

(1)

式中：u、υ、ω為速度矢量U在X、Y、Z方向上的分量。

對于不可壓縮流體，密度ρ是常數。動量守恒方程表示如下：

(2)

式中：p為流體微遠體上的壓力。

1.2 雷諾時均控制方程

(3)

用平均值與脈動值之和代替流動變量，即：

(4)

將式(4)代入方程(1)和(2)，并按式(3)對時間取平均值,然后引入張量的指標符號，得出時均連續方程和雷諾時均方程(后文中均用RANS代替雷諾時均方程)分別如下：

(5)

(6)

由于增加了參數，式(5)、(6)組成的方程組并不封閉，需引入雷諾應力的輸運方程。

(7)

式中：Pij為剪應力產生項；μt為湍動黏度；σk=0.82。

補充κ和ε方程如下：

(8)

(9)

式(5)—(9)構成了封閉的雷諾應力方程的控制方程組。

1.3 控制方程的空間離散

汽車外流場的數值模擬常采用有限體積法進行空間離散。有限體積法的基本思路是：將計算區域劃分為網格，并使每個網格周圍有一個互不重復的控制體積；將待解微分方程(控制方程)對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。

不同的插值方式對應不同的離散方程，常將插值方式稱為離散格式。空間離散格式有低階和高階之分。低階差分格式常會引起假擴散，因此需應用高階離散格式或自適應網絡技術減輕假擴散情況。標準的QUICK(對流運動的二次迎風插值)格式由于系數不總是正值，因此求解不穩定。也就是說標準的QUICK格式是條件穩定的。

為了解決QUICK的穩定性問題，1992年T HAYASE等[4]提出了改進QUICK算法規定，該算法解決了應用于四面體網格上的求解不穩定問題，因而，文中采用改進的QUICK格式對控制方程進行空間離散。

改進的QUICK格式：

(10)

相應離散方程為：

(11)

其中，

(12)

在FLUENT軟件中，為了編程方便，給出了廣義QUICK格式的表示方式[5-6]：

(13)

式中：φ表示界面處物理量的值；Sw、Se、Sd分別表示與計算節點W、P、E相對應的控制體積的邊長，如圖1所示。

圖1 一維問題中的控制

采用壁面函數法或低雷諾數對湍流流動壁面區進行處理，設置初始條件和邊界條件，求解離散方程，可得到流場的速度分布圖和壓力分布圖[7]。CFD的求解流程如圖2所示。

圖2 CFD求解流程圖

2 汽車外流場CFD仿真

2.1 CFD仿真模型建立與網格劃分[8-9]

以某產品三維CAD數字模型為研究對象,采用FLUENT軟件進行CFD數值模擬計算。仿真模型為實車狀態模型。

計算域是一個10倍車長(前3倍后6倍)、4倍車高、9倍車寬的長方體。整個計算域采用非結構化四面體網格，在前臉、A柱、后視鏡、D柱處進行網格加密，網格由大到小逐漸過渡到風洞壁面。整個模型網格單元2 200萬個。計算域模型及計算域網格如圖3、圖4所示。

圖3 計算域模型圖

圖4 計算域網格圖

2.2 物理環境與邊界條件的設置

設置環境壓力為一個標準大氣壓。根據真實的風洞測量數據，建立數字化風洞。風向沿X軸正向，距離汽車前部3倍車長處的端面為入口邊界，距離尾部6倍車長處的端面為出口邊界。邊界參數設置如表1所示。

表1 邊界參數設置

2.3 仿真結果與分析

按照以上建立的仿真模型輸入邊界條件，在FLUENT中運行得出計算結果。通過對基準模型Baseline的仿真分析，得到整車外流場情況。根據仿真結果，經分析提出如下優化方案：

(1)合理設計和優化前格柵，在滿足進風量的同時，封堵部分格柵，具體如圖5所示。

圖5 前格柵

(2)優化輪罩造型，在滿足整車設計參數的前提下，設計前輪阻風板的結構，如圖6所示。

圖6 前輪阻風板

(3)合理設計優化前蒙皮導流板和下蓋板結構形式及連接方式，如圖7所示。

圖7 前蒙皮導流板與下蓋板連接方式

3 優化方案分析

3.1 前格柵優化

經分析，正壓區主要存在于前臉處，車輛正前部壓力較后部要大，前后的壓差造成了汽車的壓差阻力。這部分阻力占汽車總阻力的主要部分。若要降低汽車的氣動阻力，就要設法使汽車前部壓力降低或后部壓力升高，從而降低壓差阻力[7]。此次優化通過優化前格柵造型和封堵部分格柵實現減小前臉處正壓區的目的。圖8為前格柵優化前后的壓力云圖。由圖可見，封堵部分格柵后，前大燈、霧燈以及前蒙皮導流板處的正壓區明顯減小，背壓區明顯減小，有效地減小了前后壓差，整車風阻系數降低6.17%。

圖8 前格柵優化結果

3.2 輪罩優化

原造型輪罩處無阻風板，導致流過側圍的氣流直接沖擊輪胎，輪胎上的正壓區增大，風阻增加。在滿足接近角[10]的前提下，將輪罩沿-Z方向延伸形成阻風板，可有效地減少直接沖擊輪胎的氣流量，有利于減小風阻。圖9表示優化前后輪胎的壓力分布圖，增加前輪阻風板后，前輪正壓區明顯減小，整車風阻降低1.54%。

圖9 前格柵優化結果

3.3 前蒙皮導流板和下蓋板優化

合理設計前蒙皮導流板和下蓋板可以有效引導氣流順暢的通過，從而降低風阻。如圖10所示，優化后車輛底部氣流通過較優化前順暢，渦量減小，整車風阻降低0.5%。

圖10 速度流線圖

幾個方案優化后的風阻系數結果如表2所示。

表2 造型優化后風阻計算結果

4 結論

文中應用CFD數值模擬對汽車前格柵、輪罩、前蒙皮導流板和下蓋板進行造型優化，使得風阻系數降低8.23%，達到設計之初指定的設計目標。

通過對相似車型風洞試驗與應用相同仿真方法仿真計算結果的對比，得出仿真結果與風洞試驗結果相符。因此，文中的仿真結果可作為新產品的風阻結果。