基于CFD軟件汽車外流場數值模擬的發展概述

王瑞麗　王倩

摘要：在提升汽車行駛性能的研究過程中，由于車身外部的空氣會對汽車的行駛產生非常重要的影響，所以對汽車外流場進行有效的分析能夠更有針對性的提升汽車的行駛性能，為此，本文對其進行了實踐分析和研究。

關鍵詞：CFD;汽車外流場;數值模擬;技術發展

一、汽車外流場分析概述

分析汽車運行過程中的外流場特性，優化汽車空氣動力學外形。研究開發的內容是從簡化的汽車模型出發，基于CFD軟件進行汽車模型網格劃分，利用仿真計算軟件進行三維模擬計算，最后，利用后處理軟件，分析汽車運行過程中的外流場特性，提出汽車空氣動力學特性的外形設計優化方法。擬采用計算機輔助三維模擬計算的研究路線，

二、汽車外流場數值模擬分析

2.1汽車模型的建立

在進行汽車外流場進行氣流狀況數值模擬的過程中，由于不同車型的外形存在差異，所以首先需要對于汽車的實際外形結構進行數據的測量，在其基礎之上完成實車參數的簡化之后建立能夠有效表現汽車特征的汽車數學三維模型，確保模型能夠有效表現出汽車的尺寸，第二步是建立三維氣流和空間參數模型。之后基于前期的分析得出的汽車外部氣流變化數學模型以及參數的確定，通過對計算機三維軟件完成汽車三維模型的組建以及周圍空間氣流的模擬工作;在之前的基礎上通過CFD軟件對建立模型進行網格劃分。之后利用仿真計算軟件，設置相應的參數，對汽車運行過程進行模擬計算。最后利用后處理軟件，對計算結果進行分析研究。相關汽車外流場的研究表明，在阻力情況下，尾翼與車身之間的干涉比升力情況更為復雜，無法用風洞試驗中獲得的數據充分解釋，這些數據包括后窗和后備箱上的力測量和油流顯示。這表明了 CFD 計算的重要性，它提供了非常廣泛的信息流。本文對本田 CR-X del Sol 的流動特性進行分析和研究，這是一種塔爾加頂部的幾何形狀，具體示意圖如下圖1中的圖（a）所示，圖（b）為在進行風洞試驗時汽車的模型以及側面圖：

這款車型具有半敞篷車車身類型與可移動的屋頂。在本田 CR-X 德爾索爾的情況下，車頂是硬的，而一些汽車有一個柔軟的頂部織物制成。應該注意的是，由于流體-結構相互作用的發生，軟頂可以與流動相互作用并影響空氣動力性能。這種車身類型最顯著的流動特征是從車頂后緣開始的回流區，其大小取決于車身的確切尺寸和車頂的形狀。本田 CR-X del Sol 有一個相對較高的后窗，客艙伸出后備箱0.28米，而客艙后面的車身水平部分的總長度幾乎為1米長。車頂有一個尖銳的后緣，導致流動分離，而在一些可轉換的汽車的情況下，車頂是圓形的，因此不可能正確地預測分離從哪里開始，僅僅通過視覺檢查車身的幾何形狀。之所以選擇這款車，是因為它的主要特征與最近開發的波蘭超級跑車 Arrinera Hussarya 的早期原型相似。為了保證數值計算能夠正確預測關鍵的流動特性，本文的研究包括了 CFD 結果與實驗數據的補充。通過對實測氣動系數和表面流動顯示的比較，驗證了數值計算的正確性。為了進一步了解車體模型的流動特性，利用 CFD 結果獲得了車體模型的壓力和速度分布、三維流動顯示和氣動力的部分載荷。

2.2數值計算結果分析

汽車車身的后視圖與數值計算的可視化結果如圖2所示。汽車前部具有典型車身的流動特征，包括保險杠和引擎蓋末端的壓力積累。氣流在發動機罩的前緣以及側面和擋風玻璃頂部加速，這些區域對應于汽車車身上較低的壓力。流動的特點在后方是獨特的塔爾加頂部類型的幾何形狀。流體在屋頂的后緣分離，在圖2的對稱面上的速度輪廓上可以看到，回流區幾乎延伸到汽車尾部的圓形部分。但是，應該注意的是，該區域的流動是高度三維的，回流區在其他截面上并不長。

2.3汽車外流場模型的實際應用

汽車的車聲外部氣流對于汽車的行駛性能具有十分明顯的影響，在通過汽車外流場對汽車的數值模型進行分析的基礎上能夠對汽車的外形進行改進，進而優化汽車性能，這樣的設計研究模式在賽車的設計領域得到了更為廣泛的應用?，F有的在汽車外部配備的車身空氣動力學部件有1989年東京車展上推出的三菱 HSR II 概念車配備的可移動的空氣動力元件，例如擾流板、后部下襟翼、和后襟翼，根據提供的實驗數據，當使用主動空氣動力元件來增強制動時，風阻系數增加了0.21，升力系數減少了0.42。布加迪凱龍跑車將其風阻系數從最高速度模式下的0.36改為增加空氣制動器后的0.60，導致風阻系數增加了，相當于0.24。這款車的前身，布加迪威龍16.4 Super Sport ，不僅有一個作為空氣制動器的尾翼，而且還有一個擾流板放置在它下面，這使得風阻系數更大的增加了0.347。

到目前為止，這種討論只涉及高性能車輛。將主動空氣動力學引入乘用車的概念并不新鮮。1984年的阿爾法羅密歐90配備了可移動的擾流板，而1990年的三菱3000GT 有可移動的前后擾流板。近年來，采用各種主動空氣動力裝置的汽車越來越多。主動空氣動力學在客車領域影響力上升的最重要的原因是追求風阻系數的減少。文獻[1]中對這類元素進行了回顧。主動格柵百葉窗是最普遍的裝置之一，它們關閉時，通過散熱器的流量可以受到限制。主動空氣動力學元件的另一個用途是它們能夠隱藏在車身內部，并在車開始移動或達到一定速度時收回，以提高汽車的操縱性，如奧迪 A7。其他一些有效的空氣動力學元件，例如用于改善敞篷車舒適性的裝置，然而，直到今天，乘用車還沒有配備有效的空氣剎車裝置。在文獻檢索過程中，人們認識到，盡管前面提到了賽車和跑車的專利和實施，但是對于乘用車空氣動力制動增強的研究還很缺乏。關于這一主題的最新文獻包括為方程式 SAE賽車開發的空氣動力制動增強裝置，而諸如文獻[2]、文獻[3]、文獻[5]等研究則提出了利用主動空氣動力學元素來增強摩托車空氣動力制動的可能性，另一個例子是文獻[2]，它處理了簡化賽車車身形狀（艾哈邁德車身）的空氣動力制動問題，這些實例足以說明制動的空氣動力學增強的重要性和潛力。

三、結束語

綜上所述，在本文的研究過程中，為了能夠基于本文前期的對汽車外流場數字化模擬的計算基礎提出改善汽車制動時空氣動力特性的可能方法，文研究了當尾翼處于低迎角以增加下壓力時，以及當尾翼處于高迎角時，由于產生的阻力大大增加而起到空氣動力制動的作用，從而提高了操縱性和制動性。

參考文獻

[1]錢娟，王東方，繆小東，蘇國營. 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+92.

[2]孟生才，陳倩云. 基于CFD的汽車外流場數值模擬[J]. 齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2014，30（04）：32-36.

[3]賈志浩. 基于不同湍流模型的汽車外流場數值模擬[D].鄭州大學，2013.

[4]黃永輝. 基于CFD的汽車外流場數值模擬及車身造型優化[D].湖南大學，2011.

[5]張奇，趙又群，楊國權. 基于CFD的汽車外流場數值模擬的發展概述[J]. 農業裝備與車輛工程，2005，（12）：8-11.