轎車車身外流場的CFD 仿真與實驗驗證

江 洪，唐 鵬

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

轎車車身外流場的CFD 仿真與實驗驗證

江 洪，唐 鵬

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

基于CFD數值仿真，選用Realizable κ-ε湍流模型和非對稱壁面函數，建立一款轎車的外流場模型，對該款車的外部流場情況進行分析，并和風洞試驗結果做了對比。結果表明:CFD仿真計算得出的風阻系數與實驗測定值誤差在5%左右，可滿足工程需要。測試點與實驗值有一定誤差，但趨勢基本吻合。

汽車;空氣動力學;計算流體動力學仿真;風洞試驗

空氣動力學特性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性與安全性［1］。目前對于汽車外部流場的研究，主要運用試驗法、理論分析法和CFD數值仿真法。試驗法主要通過風洞試驗和道路試驗對汽車的空氣動力特性進行分析和研究，依賴試驗設備和場地，一直以來是我國汽車動力學發展的瓶頸，隨著湖南大學和同濟大學風洞試驗室等的建成，我國在空氣動力學試驗研究方面與發達國家的差距正在縮小。理論分析是通過科學抽象，利用數學方法進行計算，得出的理論結果。由于受到計算工具和求解方法的限制，往往使用較為簡單的數學模型和工程經驗公式。對于汽車外流場的復雜情況，理論分析結果無法達到工程分析需要。CFD數值仿真法以經典力學理論為基礎，數學計算求解依靠計算機完成，大大提高了計算的周期性和準確性，其計算結果為汽車設計前期造型提供了依據，減少了后期的設計變更，節省了大型試驗而花費的巨大財力、人力和物力。筆者利用CFD數值仿真方法對某汽車公司開發的一款轎車進行了空氣動力學分析，得到了阻力系數，并與風洞試驗結果進行了對比。

1 數學模型

1.1 流體控制方程

由于國內普通轎車在使用過程中行駛速度一般不超過200 km/h，根據馬赫數計算公式M=U/C(C為音速)，其馬赫數不超過0.16，當馬赫數遠遠小于1時，流體的可壓縮性及壓力脈動對密度變化影響都可以忽略，因此對于該款轎車外流場的分析給定的入口速度為34 m/s，為不可壓縮流。所用數學模型為描述流體運動基本規律的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型。設一個通用變量φ代表任意的單位質量物理量(可以代表坐標系3個方向速度u、ν、w和溫度T等求解變量)，通用控制微分方程采用直角坐標系的張量形式表示［2］:

由于本次分析僅限于穩態不可壓流體，故略去方程中的非穩態項。

1.2 湍流模型

Realizable κ -ε 湍流模型由 SHIH，等［3］于1995年提出，其認為湍動渦黏系數計算式中的系數Cμ不是常數，而與應變率有關。Realizable κ-ε湍流模型可用于各種不同類型的流動模擬，包括旋轉均勻剪切流、有噴射和混合流的自由流、管道內流動、邊界層流動，以及帶有分離的流動，很適合汽車外部流場的模擬。在Realizable κ-ε中關于湍動能κ和湍流耗散率ε的輸運方程如下:

1.3 壁面方程

Realizable κ-ε模型屬于高Re數的湍流模型，針對充分發展的湍流，只能用于求解處于湍流核心區的流動，在本次數值仿真模型中，由于流體在近壁區內的流動，Re數較低，湍流發展并不充分，湍流的脈動影響不如分子黏性的影響大，這樣就不能使用所建立的Realizable κ-ε模型進行計算，因此筆者用引入壁面函數法來解決近壁區及低Re數情況下的流動計算問題。壁面函數是對近壁區的半經驗描述，用于將壁面上的物理量與湍流核心區內的待求的未知量直接聯系起來［4］。非對稱壁面函數適合在壁面附近存在很大梯度、回流等流動問題的求解，對于汽車外流存在分離和回流的情形能很好預測，該模型對貼近壁面的網格要求用y+來反映，計算公式為:

式中:δn為貼近壁面的網格離壁面的距離;ν為運動黏度;ρ為密度;Cμ=0.09。

2 CAD模型、網格及邊界條件

2.1 CAD 模型

本次數值仿真分析所采用的CAD模型是該款轎車的外A面數模，在進行網格劃分之前，必須對CAD數模進行簡化處理，將外A面導入CATIA軟件，做如下處理:省略外開手柄、天線、部分車燈，對前格柵進氣口在保證造型不改變的前提下用曲面進行替換，對底盤進行平整處理，對外A面零件分塊處的縫隙用曲面閉合，對車輪車身等部位進行簡化處理，如圖1。通過以上這些處理，所得到的車身模型在進行CFD仿真時，對外流場的總體特性影響較小，但可以提高網格劃分的效率，縮短求解周期。

圖1 CAD模型Fig.1 CAD model

2.2 計算區域和網格劃分

對與該車型計算區域的確定，根據國外學者的經驗，流場仿真計算時所取的計算區域到一定大小時，汽車的流場就不再受計算區域大小的限制［5］。同時考慮到汽車在行駛過程中，尾部氣流對汽車的空氣動力特性影響較大，并且在汽車尾部很長一段距離內存在，因此在計算區域設定時，將汽車尾部取較長的距離。該車型的計算區域選定為:車身頭部2個車長，車身尾部4個車長，車身頂部4個車高，車身側面3個半車寬，如圖2。

圖2 計算區域Fig.2 Calculation region

將模型導入前處理軟件HYPERMESH，采用三角形面網格對車身表面進行網格劃分，整體面網格尺寸采用15～20 mm，對局部氣流變化比較劇烈的部位將網格加密，在后視鏡處采用尺寸為5 mm網格劃分，車身尾部、頭部進氣隔柵、發動機蓋以及雨刮附近采用尺寸為10 mm網格劃分，如圖3。

圖3 車身表面網格Fig.3 Surface grid of car’s body

通過生成的三角形面網格，在計算區域生成四面體網格單元，在車身表面生成3層邊界層，邊界層的第1層網格是1 mm厚，并以1.2的比例增長，本次仿真整個計算域生成共約300萬體網格，如圖4。

圖4 計算區域體網格Fig.4 Hexahedral grid of calculation region

2.3 邊界條件

1)進口面:給定入口速度V=30 m/s，湍流強度(速度波動的均方根與平均速度的比值)為0.8%，湍動能尺度L=0.01 m;

2)出口面:Gradient=0;

3)頂面、側面和地面:wall邊界條件;

4)初始條件:壓力P=101 325 Pa，空氣密度ρ=1.205 kg/m3，溫 度 T=293 K，湍 動 能 R=1 m2/s2，湍動能尺度L=0.01 m，坐標系3個方向速度 u=34 m/s，ν=W=0。

3 仿真結果及分析

將通過前處理軟件進行網格劃分后的模型，導入CFD求解軟件中，通過后處理軟件對求解結果進行處理，得到如下計算結果。

3.1 對稱面速度分布

如圖5，氣流經過車身后，在尾部發生了分離，出現渦流。

3.2 流線分布

如圖6，車體表面流線比較順暢，車身外形設計較好。

如圖7，氣流在后視鏡發生分離，出現渦流。在車身尾部出現較大渦流，形成較大壓力差。

圖7 外后視鏡及車身尾部流線分布Fig.7 Streamline distribution of outside rear－view mirror and car’s tail

3.3 壓力分布

如圖8，從壓力分布可以看出，從發動機蓋板邊緣到保險杠下邊緣處壓力較大，有助于氣流通過隔柵進入發動機艙，利于冷卻。前風擋下邊緣和輪胎的迎風面壓力也較大。

圖8 對稱面及車身表面壓力分布Fig.8 Pressure distribution of symmetry plane and car’s surface

如圖9，后視鏡迎風面壓力較大，將引起較大的風噪。

3.4 風阻系數

風阻系數計算公式如下:

式中:F為x方向空氣阻力;A為x方向投影面積;υ為流體流速;ρ為空氣密度。

根據數值仿真計算結果，得到如下數據:

空氣阻力:477.795 N;風阻系數:0.315。

圖9 后視鏡表面壓力分布Fig.9 Streamline distribution of outside rear－view mirror surface

4 風洞試驗及結果對比

4.1 風洞試驗

汽車風洞主要由洞體、驅動系統和測量控制系統組成，如圖10。

圖10 風洞結構Fig.10 Wind tunnel structural figure

洞體有一個能對模型進行必要測量和觀察的實驗段，實驗段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩定段，使氣流加速到所需流速的收縮段，使氣流得到梳理與和勻的蜂窩器和阻尼網。實驗段下游有降低流速、減少能量損失的擴壓段。

驅動系統包括軸流風機和路面移動系統，通過調速裝置，可以使風機產生0～60 m/s連續可變的風速，路面移動系統可以模擬真實路面行駛。

測量控制系統其作用是按預定的實驗程序，控制各種閥門、活動部件、模型狀態和儀器儀表，并通過氣動力天平、壓力和溫度等傳感器，測量氣流參量、模型狀態和有關的物理量。風洞的風速控制、數據采集與實驗監控全部集中在主控制室的計算機控制平臺。

風洞試驗對于驗證CFD數值仿真結果的準確性是非常必要的，本次風洞試驗所選用的油泥模型如圖11。

圖11 試驗使用的油泥模型Fig.11 Clay model in the experiment

此次風洞試驗使用汽車專用六分量氣動天平，通過氣動天平可以測量在特定風速下，模型所受到的空氣動力和力矩，同時為了驗證CFD數值仿真的準確性，在車身的頭部上進氣口、下進氣口和雨刮附近分別布置了10個測點，測試這3個位置流場的壓力情況，與CFD數值仿真結果進行比對，如圖12。

圖12 壓力傳感器測試點Fig.12 Pressure sensor observation point

4.2 結果對比

試驗結果顯示，該車油泥模型的風阻系數為0.298，測試點靜壓力與CFD數值仿真結果比較如圖13～圖15。

從圖13～圖15看出，上進氣口的CFD仿真計算值和試驗值偏差較大，下進氣口的CFD仿真計算值和試驗值比較接近，雨刮附近CFD仿真計算值和試驗值也有一定差別，但趨勢較為吻合。

通過比較CFD數值仿真結果與風洞實驗結果，阻力系數的誤差在5%左右，2種方法在幾個區域測點的壓力分布趨勢較為吻合，但是由于選點位置差異、CFD仿真計算本身誤差、風洞洞壁干擾、測試儀器校定等原因，測點試驗值和計算值之間還存在一定誤差。上述的CFD仿真計算結果已經基本可以滿足工程精度需要，如果想進一步提高CFD仿真計算精度，可以再細化網格，增加網格數，選取更合理的邊界條件，選擇更精確的湍流模型。

5 結論

1)通過CFD軟件對某款轎車外形進行了三維流場模擬，通過圖形化直觀地顯示該款轎車外形的空氣動力學性能。

2)在風洞試驗中設置測試點，通過風洞試驗得到風阻系數和測試點靜壓力與CFD數值仿真結果進行對比，對提高CFD數值仿真準確性起到重要的參考作用。

3)CFD數值仿真與模擬試驗法、理論分析3者之間相輔相成，理論分析提供CFD數值仿真法的理論基礎，模擬試驗法通過對試驗數據的分析和推理，得出大量的重要結論，不斷揭示出各種氣動現象，這又推動了汽車空氣動力學理論研究的發展，同時模擬試驗對CFD數值仿真結果進行驗證，促進CFD數值仿真的準確性。CFD數值仿真與風洞試驗相互結合，可以有效減少風洞試驗次數和時間，降低整車開發費用，縮短整車開發周期。隨著CFD數值仿真技術的成熟，將來的風洞試驗將更多地用于驗證和完善理論上的推斷。

［1］谷正氣.汽車空氣動力學［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 陶文銓.數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

［3］Shih Tsan-hsing，Willian W.Liou，Aamir Shabbir，et al.A new κ-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows comput fluids［J］.Computers ＆ Fluids，1995，24:227-238.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］呂明忠，高教岳，傅立敏.計算機數值仿真在汽車外流場分析方面的應用研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2002，14(2):181-184.

LV Ming-zhong，GAO Jiao-yue，FU Li-min.Computer numerical simulation for the analysis of automotive external flow field［J］.Journal of Computer-aided Design Computer Graphics，2002，14(2):181-184.

CFD Simulation and Experiment Verification of Exterior Flow Field of a Car Body

JANG Hong，TANG Peng
(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120，China)

Based on CFD numerical simulation and adopting Realizable κ - ε model and non—equilibrium wall function，the model for the body surface and its exterior flow field of an automobile was established;exterior flow field of an automobile was analyzed after comparison to that from wind—tunnel test.The results demonstrated that the difference between simulation and test results for drag coefficient was only 5.4%，therefore it could satisfy the engineering demand.There was discrepancy between measure unit and experiment，but the trend was identical.

automobile;aerodynamics;CFD simulation;wind-tunnel test

U461.1

A

1674-0696(2011)03-0470-06

2011-01-10;

2011-02-25

江 洪(1972-)，男，重慶人，副教授，主要從事職業教育及車輛工程應用研究。E-mail:jiang-hongl@126.com。