基于FLUENT的汽車空氣動力性能仿真與車身優化

秦洪艷

（三江學院機械與電氣工程學院，南京 210012）

0 引言

汽車車身外形具有良好的空氣動力性能十分重要。合理的外形減小了空氣阻力，不僅能改善汽車的動力性，而且提高了汽車的燃油經濟性和空氣動力學穩定性，既能使汽車高速運行，又能保證行車安全。因此，進行汽車的空氣動力性研究很有必要。

本文針對特定車型，利用CATIA軟件建立其車身外形的三維模型，并在GAMBIT網格劃分的基礎上，運用FLUENT軟件對汽車車身周圍流場進行仿真，計算車身受到的氣動力及力矩，分析車身外流場特性，在分析結果的基礎上修改車身模型，從而優化汽車空氣動力學性能。

1 數值模擬基本理論

對于瞬態三維不可壓縮黏性流動，動量守恒方程常表示為N-S方程：

根據計算流體力學的理論，求解流場首先要將流場相關物理量在空間上離散，常用的控制方程空間離散方法有有限差分法、有限元法和有限體積法等。FLUENT有分離求解器和耦合求解器兩種求解器。為了兼顧求解速度和計算精度，選用SIMPLEC算法作為數值求解算法。

2 車身模型建立

行駛中的汽車擠壓周圍的空氣，同時受到周圍空氣的作用力，在存在側風的情況下，車身周圍的流場變得不對稱，車身受到的作用力更復雜。典型的車身外流場流動特征為三維、黏性、湍流、分離和非定常。在周圍無風的環境下，本文針對在平坦路面上勻速直線行駛的汽車進行仿真。在不考慮側風的情況下，車身外流場具有對稱的特征，對稱面為車身縱向中心平面。模擬中選擇汽車的行駛速度為40 m/s，馬赫數Ma=v/c=40÷340=0.12<0.15，根據流體力學理論，可以將外流場的空氣流動作為不可壓縮流動處理。對于不可壓縮流動，可以忽略熱量交換。使用CATIA建立車身曲面的幾何模型如圖1所示。

圖1 某型車幾何模型

式中：t為時間；vx、vy和vz分別為速度矢量v在x、y和z方向上的分量；ρ為密度。

3 求解分析

使用前處理軟件GAMBIT劃分網格，采用混合網格的網格形式，首先將計算域劃分為幾塊不同的區域，然后對不同區域分別劃分網格。計算域的最內層，車身被小的長方體包圍著，該區域形狀復雜，為了提高計算精度，在該區域采用密度稍大些的四面體混合網格，其它區域采用六面體結構網格，但網格密度由內而外依次降低，在保證計算精度的前提下盡可能地降低網格密度，減少網格數目，從而減少計算時間。仿真得到的車身表面壓強分布如圖2所示。

圖2 車身表面壓強分布

由圖2、圖3可以看出，在車身前部進氣格柵部位存在很高的正壓區，前方來流受到車身的阻擋，在進氣格柵部位形成滯區，在發動機冷卻系的設計中，充分考慮該滯區，將進氣格柵設置于此，并將出風口設置在車身底部，利用進氣格柵部位的高壓和車身底部的負壓形成發動機艙的冷卻氣流，給發動機充分地冷卻。流動的滯區出現在發動機蓋與前風窗交界處和后風窗與后行李箱交界處。來自前滯點的氣流流過發動機蓋時，流速增大，壓強降低，形成負壓區，然后撞擊到前風窗，出現局部氣流的分離，流速降低，壓力升高，形成滯點。在車身頂部氣流流動的方向與前方來流方向一致，流速很高，這里為負壓區。氣流流過后風窗后出現分離及大的湍流，這里流速降低，壓力升高。車身底部也呈現明顯的負壓狀態。通過車身縱向中心平面內的速度矢量圖可以看出，尾流存在流動的分離，可以看出分離邊界的位置，由車身尾部上下邊剪切出來的反相渦，上面的渦為順時針旋轉，下面的渦為逆時針旋轉，這對反向渦屬于黏性渦，向著渦核處速度減小。

圖3 車身縱向中心平面速度矢量圖

圖4尾流流線圖中清晰地呈現了尾流中拖拽渦的形態，這一對拖拽渦是由車身后柱（C柱）處形成的，向下游逐漸發展，拖拽渦屬于勢流渦，除了渦核部分，向著渦核處速度是增大的，這對拖拽渦是產生誘導阻力的主要原因。

圖4 車身尾部流線圖

數值模擬得到的車身空氣阻力系數為0.282，該車型屬于低阻型車身，模擬得到的數值與該車型實際阻力系數接近，考慮到模擬精度和對車型的簡化處理，該模擬結果具有一定的工程精度。數值模擬得到的空氣升力及升力系數為-0.469，表示汽車行駛過程中，受到周圍空氣的下壓力，增大了汽車附著力，有助于增強汽車的動力性和操作穩定性。計算得到的縱傾力矩為434.10 N·m，縱傾力矩系數為0.06，這使得行駛中的汽車由于受到車身外流場的作用，有一部分軸荷由后軸轉移到前軸，在一定范圍內，這種轉移有助于提升前輪驅動的汽車的動力性和穩定性。

4 車身優化

為了優化給定車型車身結構，修改了車身尾部，將原來的折背式車身改為快背式車身，修改后的車身幾何模型如圖5所示。

圖5 優化后的車身模型

對修改后的車身進行外流場計算得到的氣動力和力矩如表1～表3所示，由表可知氣動阻力、氣動升力、縱傾力矩及其相應的系數均有不同程度的降低，而這些氣動參數的降低主要來源于壓強的變化。圖6為車身縱向中心平面壓強對比圖，從圖中可以看出，修改后的車身尾部壓強高于原車身，這是由于修改后的車身后窗與尾部通過斜面連接，使得這部分的壓強迅速升高，不會出現較大的分離區，壓強不能迅速恢復，從而使得氣動阻力及阻力系數降低。其次，由于快背式車身使得車身頂部的壓強高于折背式車身，因此修改后的車身的升力、縱傾力矩及相應的系數也有所降低。

5 結語

本文對給定的車型進行了車身外流場仿真，設計了詳細的仿真方案，使用FLUENT軟件求解車身外流場，通過分析求解結果，對車身進行了優化，并重新計算修改后的車身外流場，分析得到了改善車身空氣動力學性能的方法，優化了原車結構。

表1 車身阻力及阻力系數對比

表2 車身升力及升力系數對比

表3 車身縱傾力矩及縱傾力矩系數對比

圖6 車身縱向中心平面壓強對比圖