新設計低風阻系數省油車動力仿真分析

1 引言

綠色低碳轉型已成為我國汽車產業未來發展的趨勢?！笆奈濉币巹澗V要中提出，要加快推動綠色低碳發展，推進清潔生產，發展環保產業，推進重要領域的綠色升級。一直以來，交通運輸行業是資源消耗和碳排放大戶，行業上下游產業鏈長，單車碳強度高，從整車零部件的生產到投入使用都與整個產業鏈節能減碳的實現密切相關。目前，交通運輸排放占我國碳排放總量約10.4%，特別是公路運輸，占全國交通運輸碳排放總量85%以上，是交通碳排放絕對的主體和減排重點。相關的數據顯示，無論燃油車和新能源汽車，每降低10%空氣所產生的阻力，就能提高汽車5%的續航里程；每降低汽車0.01的風阻系數，汽車就可以多行駛15-20km的里程，由此可見汽車空氣阻力對汽車的影響的確是非常大的。

總之，在移動支付快速發展的背景下，商業銀行要想在市場中處于競爭優勢就必須順應市場變化和不斷創新。通過與第三方支付機構合作，提高自身技術和實力，建立移動支付生態圈，把握好移動支付影響下的發展機遇，以積極開放的競爭姿態參與到市場競爭中，實現業務創新，達到立于市場不敗之地的目的。

目前，家庭使用轎車的風阻系數大多都在0.25-0.30這個區間，最低的甚至可以達到0.22，風阻系數高的如SUV車型的風阻系數一般在0.32左右，這也是為什么SUV車型較家用轎車相比較，油耗較高的重要原因之一。而F1方程式賽車的風阻系數大約在0.5以上，相比于我們的家庭用車風阻系數大了很多，并且比生活中很多車型都要大很多。因為方程式賽車更需要的是高速和優秀的穩定性，如何去減小空氣阻力更加重要。根據產生的原因和作用機理的不同，空氣阻力可分為壓力阻力、升力、干擾阻力和摩擦阻力這四種。評價空氣阻力的參數依據就是汽車的風阻系數，汽車的頭部、尾部的不同形狀、擋風玻璃的傾斜角都會影響空氣阻力的大小，盡管水滴形是風阻系數最低的車身形狀，但由于制造十分困難，且難以滿足我們對汽車的空間需求，所以很難在現實中實現。

通過控制風阻作為汽車行業中降低油耗的最重要的手段之一，本文對一新設計外型的環保競賽車子外流場進行分析，以確認本次優化車子外形來降低整車風阻系數的最終效果

。

2 研究方法

在小型競賽車比賽中，賽車不同的模型會對比賽的成績有較大的影響，為檢測一輛小型競賽車的模型是否合理，研究競賽車風阻系數非常必要。本次仿真研究按照統一方程式與基本假設、模擬幾何形狀和邊界條件、網格劃分以及數值計算程序等四個步驟進行。

2.1 統一方程式與基本假設

通過利用空氣動力學計算理論，使用流場仿真計算，通過求解質量守恒方程和動量守恒方程，來獲取流場中任意位置的壓力和速度。在不失系統本身的物理現象情況下，簡化模擬過程的復雜性和計算經濟性，做了以下的基本假設：牛頓粘性流體，穩態的紊亂流流場，計算區域進口為均勻速度、出口為定常壓力，流體有定常性質。利用ANSYS Fluent求解以下連續方程式與動量方程式以求得速度與壓力分布。連續方程式：

風阻系數與雷諾數的關系，其中雷諾數的定義為：

(式1)

動量方程式：

在道路提升的基礎上，該村還高度重視全域保潔、鄉風文明建設等工作，著力打造宜居宜業宜游的美麗鄉村。同時，扎實開展“廁所革命”，211戶群眾用上了無害化衛生廁所，補齊了生活品質短板。

(式2)

之所以做上述這些事情，是因為我們現在有能力有條件，為需要受教育的學生提供良好的教育環境。我們小時候的條件很艱苦，沒有很好的條件支持我們學習，我們深知其中的苦澀與艱辛，所以在自己經濟實力允許的情況下會選擇資助，讓更多的孩子可以接受教育。

布魯姆教學目標分類理論的發展從1956年的1.0版本——金字塔形狀(識記、理解、應用、分析、綜合和評估)到2001年由布魯姆的學生Anderson等人提出的2.0版本——金字塔形狀(識記、領會、運用、分析、評價和創造)。布魯姆將教育目標劃分為認知領域、情感領域和操作領域，共同構成教育目標體系。認知領域的教育目標可分為從低到高的六個層次：即識記→領會(理解)→運用→分析→評價→創造，學生的思維由低階思維能力向高階思維能力發展，教育目標從基礎目標向高級目標發展(圖1)[5]。

(式3)

式10表明壓力頭和速度頭相加等于一個定值，所以當速度增加時，壓力就會降低；相反的壓力增加時，速度會降低。如果把所有速度頭都轉換成壓力頭，流體就處于停滯狀態，也就是在車輛表面形成停滯點。當處于停滯點

=0m/s時，壓力最大。如圖5中a、b、c、d、e、f六圖所示，當流體在車頭速度低時，所對應的壓力就是增加；車子由車頭往中間自高處流動時，由于流體截面積減小，造成流速增快。所以車子中間速度最大處，所對應的壓力處于最小值。由車身最高處往車尾的部分，流動截面積漸漸增加，造成流速下降，壓力回升，車子尾部速度較低，對應的壓力就會增加，同時因為邊界低動量流體無法抵擋逆向壓力梯度，造成分離現象而形成了車尾的尾流渦漩。圖5中a、b、c、d、e、f六圖對比，顯示車速不同時，整個車子的壓力隨速度的改變，這些變量隨著速度的提升而增大。

紊流方程：依據Launder and Spalding在1972年所提出的標準

和

紊流模式，分別由紊流動能

(Turbulent Kinetic Energy)和消散率

(Dissipation Rate)兩條傳輸公式所組成的紊流方程式

。

和

的定義分別為(

=1，

為Near Wall Damping Function):

我們運用軟件當中的布林計算對我們的省油競賽車模型和BOX進行計算，如圖2，取出本研究的流場計算區域

。圖3所示對模型以及BOX各個邊界面進行命名。

(式4)

(式5)

方程式(4)中的

為平均速度梯度所產生的紊流動能，

的方程式表示如下：

=

(式6)

空氣阻力系數

與車輛的截面尺寸相關，計算公式如下：

(式7)

利用Mesh軟件對模型進行網格劃分，選取單元最大網格大小為0.2m，選擇高平滑度。在這些參數設定之下所建成的網格如圖4

。

(式8)

式中：

為升力系數，

為升力的大小，

為自由流的速率，

為流體的密度，特征面積

通常取為車輛正前向的投影面積。

剛節點模型是將支架立柱看作是有側移框架柱，分別計算出相交于柱上端、柱下端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值k1、k2，再查文獻3得到立柱的計算長度系數μ，由公式（1）計算出長細比，查文獻3得穩定系數ψ，再代入公式（2）即可。對于結構和荷載分布不對稱時，需要對規范得到的立柱計算長度系數μ進行修正，采用公式（3）。

(式9)

2.2 模擬幾何形狀與邊界條件

利用Design Modeler導入省油競賽車的幾何圖形(長2948.29mm,寬895.59mm，高892.27mm)并且在汽車模型外面建立一個BOX，分別取8倍的車長，6倍的車高，9倍的車寬作為BOX的長寬高。

紊流動能和

紊流消散率，可由下列方程式中求得：

我國城市軌道交通行業發展初期，為了在無經驗可借鑒的前提下能實現城市軌道交通車輛的維修和維護，北京、上海、廣州等城市軌道交通系統的運營單位沿襲了我國干線鐵路的做法,從而形成了該類維修集約范式。

2.3 網格劃分

式中：

為阻力的大小，

為自由流的速率，

為流體的密度，面積

通常取為正向的投影面積。另外，在垂直車輛的方向，也可仿照式(7)形式求得升力系數。

圖4所展示的黑色區域乃是對車輛表面進行網格的加密所造成的結果，建成后共1739434個網格

。因為在固體表面會產生速度邊界層，為了要精確解析這些大的速度梯度，我們對車輛模型表面附近進行了網格的加密，本模擬邊界層加密采用5層柱狀邊界層網格，增長率為1.2倍，車的底盤與周圍處會有網格加密的現象出現

，最終建成之后的網格數量為1443710個。在網格劃分中，分別用不同的網格數測試所得結果，其網格數80萬與150萬所得阻力系數的數據低于誤差3%以內。因為考慮到計算的精度與計算的時間，因此計算網的格數量均保持在110萬左右。

2.4 數值計算程序

在求解前述的質量守恒、動量守恒與紊流方程式(1)-(5)，在Fluent軟件中設定流體性質、邊界條件、離散數值模型、求解疊代方法以及計算收斂條件

。得到收斂解之后的后處理則是要畫出本研究需要的速度場與壓力場，并取出升力、阻力與升力系數和阻力系數的數據。

129 良、惡性肺磨玻璃結節 CT 特征及其鑒別診斷意義 趙家義，韓一平，楊立信，金 海，陳 煒，生 晶，左長京，鄭建明

3 結果與討論

3.1 速度場

假設流動滿足以下條件：對于不可壓縮、質點沿一條直線，無摩擦、穩流和忽略位能的影響，其伯努利方程式：

(式10)

為Kronecker符號，定義為：

=1,

=

;

=0,

≠

。

雖然PHEV的購買價格較傳統轎車和混合動力轎車略高(目前約為1.2倍)，但由于外接電池的高容量、制動能量回收等新技術的應用，使得車輛在城區內行駛可以基本實現零排放，燃油經濟性也比普通汽車提高了2～5倍。

圖6中a、b、c、d、e、f六圖中不同速度的流線圖，可以直接看出不同速度下流線型態變化不大，顯示出本新設計外型的競賽車在本研究探討的速度范圍都能表現出良好的流線型特征。

3.2 車身表面壓力分布

依據牛頓第三運動規律，當汽車車身周圍的流體速度增加時，車身在該處的流場壓力就會降低；汽車車身周圍的流體壓力增加時，車身在該處的流場速度就會降低。當處于停滯點V=0m/s時，流體受固體表面作用的壓力最大，因此在停滯點位置流體作用在固體車子表面上也會呈現最大的壓力。如圖7中a圖，觀察汽車的速度分布圖，在整部車子中，車頭和車位的速度較低，汽車所對應的流體壓力就會偏大；在車子中間位置，流體速度是整部車子中最大的，車身所對應的流體壓力也是整部車子中最小的。通過分析所得這些流體作用在車輛表面的壓力分布情況以及車身表面的速度梯度分布，就是用來計算車輛在正常行駛時所受到的壓力阻力與摩擦阻力的試驗根據，并且這兩種阻力的和，就形成了我們所說的風阻。在圖7中a、b、c、d、e、f六圖中，通過對比不同速度下速度和壓力的分布，當車輛的速度提升時，停滯壓力也會跟著增加。

3.3 風阻系數

具前述模擬結果，改變入口風速，觀察風阻系數Cd的改變。通過多次測試風阻系數，得到圖8,風阻系數急速降低后，最后一直保持接近于穩定數值。

表1中改變速度，分別利用雷諾數Re、風阻系數C

、升力系數C

的公式，計算得到表中數據。從折線圖9，可以直接觀察到雷諾數隨風阻系數的變化，逐漸遞減，在折線圖中加入一條趨勢線，可以得到一組風阻系數與雷諾數的關系圖。從折線圖10，可以看出雷諾數Re隨升力系數C

的變化。升力系數很小，一點點的變化就會很明顯，升力系數是負數，說明與車子的下壓力有關，一般的房車與跑車會設計成后方下壓的負升力，有助于改善操控性

。

4 結論

本文利用數值模擬計算流體力學軟件ANSYS Fluent，探討一新設外型的競賽用省油車的外流場和車輛所受到的風阻系數，考慮的車輛行駛速度分別為10 km/hr、20 km/hr、30 km/hr、40 km/hr、50 km/hr 和 60 km/hr。綜合本研究結果可得下列幾點結論：

1、本車身尾端采用漸縮的曲面，讓壓力回升，使速度場后有較小的尾流區，整體流線由車子前方到后方沒有很快發散，證明車子后方尾流區域不大，風阻遠遠低于常用車輛的風阻，有效減小了省油車的風阻系數以達到節能的效果。

2、在壓力場方面，車身的設計使前部停滯區的高壓范圍和后方的負壓真空區很小，受到的阻力效果低于常用車輛，因此在車輛速度越快時，省油效果將會越明顯。

（2）砼配合比要求：耐久性：氯離子滲透28d電通量小于750庫侖；強度：設計28d軸心抗壓強度為35mpa；塌落度：175+40mm；水灰比：≤0.4；原材料性能：滿足規范要求。

3、在網格劃分中，分別用不同的網格數測試所得結果，其網格數80萬與150萬所得之數據低于誤差3%以內。也為避免計算時間過久，因此計算網格數量均保持在110萬網格左右。

4、模擬分析結果顯示，本次新設計外型的省油競賽車，在競賽車的行駛速度范圍內，風阻系數約在0.1的大小，比一般車輛風阻系數小很多，充分表明本次新外型競賽車的低風阻性能。根據本研究肯定低風阻性能所做出的實車如圖11所示。

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