基于網格分區方法的汽車外流場研究

陳明

(東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

目前汽車外流場[1]的研究手段主要有風洞試驗及數值仿真分析(CFD技術)。風洞試驗是指在一個足夠大的空間內，通過一定方法產生一段均勻流，以此作為空氣來流，吹向汽車，模擬實車在路面行駛的情況。數值仿真分析是指在計算機內通過在汽車模型周圍建立計算域，并通過有限元劃分網格單元后，在單元內求解控制方程最終獲得流場數值解[2]。網格是外流場CFD分析中最基礎、最關鍵的環節，網格質量、數量與外流場計算結果收斂性、收斂速度、計算精度、計算時間等都有著密切的關系。采用合適的網格劃分方法既可以提高計算精度，又可以在保證計算精度的情況下，最大程度地節省計算資源，節省計算時間[3]。

1 車身網格分區方法

車身網格分區是指對于車身的不同部位采用不同尺寸的網格進行劃分，對于車身周圍采用不同的體網格尺寸進行劃分。既可以避免網格尺度過密造成的計算資源浪費、計算時長過長，又可以避免網格尺度過大造成的計算精度不足的缺陷[4]。

1.1 車身網格分區方法

車身網格劃分主要是在需要進行CFD分析的幾何表面建立三角化的有限元網格。其劃分準則一是保證面網格的貼體性；二是采用盡可能少的網格量。為了實現這兩點要求，就需要在幾何表面根據幾何特征尺寸的大小進行面網格劃分的分區控制策略。某SUV車型實際情況如圖1所示。

圖1 某SUV車身零部件示意

如圖1所示，在格柵、后視鏡、霧燈、門把手、行李架等位置，模型的細部結構較多，特征尺寸相對較小。而根據流場的分布情況，在A柱、后視鏡、車尾部會有旋渦產生，這些位置也需要適當的細化。具體的面網格分區細化的尺寸如表1所示。

表1 不同面網格尺度下面網格數

用3種不同的網格尺度進行面網格劃分。從表1給出的面網格數量及圖2給出的表面網格分布貼體度情況來看，車身表面采用均勻的3 mm進行網格劃分時，網格比較光滑，貼體度比較高，但面網格數量巨大；車身表面采用均勻的10 mm進行網格劃分時，網格過渡不夠光滑，特征較小位置網格質量很差；采用面網格分區控制時，網格過渡仍比較光滑，貼體度較高，網格量相對于均勻3 mm時減少很多，相對均勻10 mm時，只增加了16%。

根據表2中車身網格尺度的大小，在HyperMesh軟件中對某SUV的車身表面進行了車身網格劃分。車身網格單元數為940 916。部分區域網格劃分結果如圖3所示。

圖3 車身網格分區劃分結果(部分)

1.2 計算域體網格分區方法

體網格劃分是指在計算域內進行體網格單元的建立。車身網格單元的建立是為了保證近壁面網格的貼體性，體網格單元的建立則主要與計算域內的流場捕捉、計算精度、收斂情況有著密切的關系。體網格分區是指在計算域內靠近車身周圍不同的位置劃分不同大小的體網格單元。這主要是因為，如果采用統一的體網格單元生成尺度，則網格數量過于龐大；而采用不同的分區則可以在靠近車身周圍流動比較復雜的區域，特別是尾部旋渦區域進行適度的加密，而后過渡到遠場區域，這樣既可以提高計算效率，又可以保證計算精度。

表3 不同分區內的體網格大小

根據表3中不同分區下體網格大小，建立了如圖4—圖5所示的體網格。體網格劃分采用了Starccm+軟件。體網格單元數為9 792 617。

圖4 計算域示意

圖5 計算域內體網格示意

2 某SUV車型外流場計算分析

2.1 計算邊界條件設置

CFD仿真分析是在一定的計算域內進行的，因此計算域的邊界需要設定合適的邊界條件，才能得到合理的計算結果。結合Starccm+軟件對圖5所示的計算域內的進口、出口及車身、地面等設置了如表4所示的邊界條件。根據行業內的慣例，汽車外流場中一般以車速120 km/h下的風阻系數來進行風阻評估，因此入口設定了120 km/h的速度；出口采用了壓力出口邊界，壓力為大氣壓；其余壁面均采用無滑移壁面，如圖6所示。

表4 計算邊界信息

圖6 計算域邊界條件示意

2.2 某SUV車型外流場計算分析

2.2.1 風阻系數

作者針對該車型外流場仿真分析采用了切割體網格，網格數量相對最少，收斂速度比較快，計算穩定。具體的風阻系數收斂曲線見圖7。該SUV的CAS階段風阻系數為0.336 6，風阻系數隨著車長度方向的發展曲線如圖8所示。可以看出：車頭部的阻力比較大，氣流在經過發動機艙蓋前端時，阻力有所降低，在輪胎附近阻力又增加，而后緩慢發展。前擋玻璃及后視鏡等會增加一部分阻力，車頂有一定的減阻作用，而后，在后輪、車尾部阻力快速增加。由此可見：阻力來源主要是車頭及車尾部，而發動機艙蓋、車頂具有一定的減阻作用。

圖7 風阻系數收斂曲線

圖8 風阻系數隨車身發展曲線

2.2.2 車身周圍流場分析

圖9給出了Y=0截面的速度矢量圖，可以看出，空氣從前方吹向車身，在車頭位置遇到車體結構阻擋，速度大幅度降低，并開始向兩側分散流動。因此在車頭格柵、牌照板附近有明顯的低速區存在。一部分氣流從發動機艙蓋流過，流經前擋玻璃及車頂尾翼后向車尾部流動；另一部分氣流從車底部沿著底板向車尾部運動，兩股氣流在車尾部較遠處交匯，從而在交匯位置與車身之間形成了明顯的尾渦區域。在后擋玻璃后部以及后保的下部都有明顯的旋渦存在，旋渦氣流對車尾部產生一定的拖曳力，旋渦區域越大，越靠近車身，則所產生的拖曳力越大；尾渦區域的大小與車頂、尾翼、后保、后擋玻璃等都有密切的關系；在前擋玻璃與發動機艙蓋銜接的雨刮槽位置，由于氣體從發動機艙蓋順著流動到前擋玻璃上，從而在這個位置形成分離死區。

圖9 Y=0截面速度矢量圖以及局部放大圖

圖10給出了Z=0.4 m截面的速度矢量圖，可以看出，氣體在遇到車頭造型阻礙減速后，向車身兩側運動，在霧燈附近氣體流速增加，此處比較容易引起能量耗散，從而造成阻力增加；霧燈側面的氣流由于具有較高的流速，氣體不易改變方向，從而會沿霧燈側面向外側運動，容易在輪胎及前門附近形成氣流分離；車尾部的氣流沿著車身側圍向后運動，從而在車尾部形成明顯的旋渦區域。

圖11給出了車身周圍的速度跡線圖。可以看出：大部分氣流貼著車身表面運動，但在后視鏡后方、輪胎附近、A柱后方有少量的旋渦存在；在車尾部左右對稱有明顯的尾渦區域存在。

圖10 Z=0.4 m截面速度矢量圖以及局部放大圖

圖11 車身周圍跡線圖

3 實驗結果對比分析

該SUV模型的風洞試驗是在吉林大學汽車風洞進行的，該風洞屬于回流式(哥廷根式)風洞。試驗模型為1∶3等比例模型，模型采用數控加工，與實車達到了極高的相似度，并保留了格柵、后視鏡等幾何細節特征。模型的軸距為921 mm，輪距為530 mm，前輪輪眉高度277 mm，后輪輪眉高度279 mm。等比例模型固定后效果如圖12所示。

圖12 某SUV的1∶3等比例模型

3.1 風阻系數結果分析

風洞試驗中，根據阻力系數計算公式：

式中：F為氣動阻力(N)；ρ為空氣密度(kg/m3)；A為正投影面積(m2)。不同風速工況下的阻力系數如表5所示。

表5 不同風速下氣動阻力系數試驗結果

根據試驗數據分析，在60～160 km/h風速范圍內，氣動阻力系數隨風速增加而呈下降趨勢。圖13為根據阻力系數的試驗數據與雷諾數關系擬合的曲線及方程，其中雷諾數計算時模型特征長度取車長1.533 m，空氣動力黏度取17.9×10-6Pa·s。

當特征長度取車長時，雷諾數大于5×106即可認為進入自準區[5]。由表5可以看出模型試驗最高風速160 km/h對應的風阻系數為0.348 1，由圖13可以看出160 km/h的工況仍未達到自準區。而根據圖13擬合的對數律公式曲線，計算得出在雷諾數為5×106時對應的風阻系數為0.344 2；此雷諾數對應CAS狀態平底1∶1模型的車速應為62 km/h，但根據風洞試驗經驗，實車的氣動阻力系數在超過62 km/h時仍會有些許降低，據此推算1∶1CAS平底模型的氣動阻力系數在120 km/h時速下約為0.342左右。

圖13 阻力系數與雷諾數關系擬合曲線

從表6中可以看到仿真結果與試驗結果的風阻系數比較接近，誤差不到1.6%。由此可見，采用面網格及體網格分區控制，在大大減少網格量的基礎上，可以獲得高精度的結果。

表6 仿真與試驗結果風阻系數對比

4 結論

通過網格分區劃分方法，對某SUV的外流場進行了CFD仿真分析，獲得了風阻系數及車身周圍的流場分布情況。在與試驗結果對比后發現，仿真分析結果與試驗結果的風阻系數高度吻合。因此，采用網格分區技術不僅可以有效控制網格數量，提高計算效率，還能獲得高計算精度的仿真結果。