基于不同外形參數(shù)模型的汽車外流場(chǎng)仿真

杜子學(xué)，張 杰

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074)

近代汽車設(shè)計(jì)分析的建模過(guò)程通常是CAD和CAE相互獨(dú)立起來(lái)的，首先運(yùn)用CAD技術(shù)建立幾何模型，然后將所建的模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、邊界定義與加載，最后求解和后處理分析。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析研究，再對(duì)CAD模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善其力學(xué)性能，提高其經(jīng)濟(jì)效益。但對(duì)需優(yōu)化的模型，若改變其中一個(gè)尺寸就需重新建立新的模型，重復(fù)的工作帶來(lái)不少的麻煩。隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步的縮短設(shè)計(jì)周期，更靈活地針對(duì)影響分析性能的特征參數(shù)進(jìn)行修改達(dá)到快速建模分析的目的。基于參數(shù)化建模技術(shù)被提出并得到發(fā)展運(yùn)用。參數(shù)化建模技術(shù)利用基于特征的CAD技術(shù)建立全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的三維模型，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)整體設(shè)計(jì)和部件進(jìn)行有限元分析。

在此基礎(chǔ)上，筆者運(yùn)用三維建模軟件建立某型汽車的幾何模型，并基于其知識(shí)工程模塊提取影響其空氣動(dòng)力學(xué)特性的一組功能參數(shù)前風(fēng)窗角(FWW)、后風(fēng)窗角(BWW)、接近角(AFA)、離去角(DRA)，通過(guò)改變這些參數(shù)得到8種不同的汽車模型。將得到的參數(shù)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分然后導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)軟件Star-ccm+對(duì)其進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析。模擬出不同參數(shù)模型下的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，并分析不同參數(shù)模型下對(duì)汽車氣動(dòng)性能影響。但由于汽車表面外形曲率多變化，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了保證其完整的幾何拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)汽車外形做了許多的簡(jiǎn)化工作。在參數(shù)設(shè)置時(shí)，每組參數(shù)的數(shù)值變動(dòng)相對(duì)較小，在此謹(jǐn)做一次嘗試性試驗(yàn)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型設(shè)計(jì)分析

參照某型汽車的車身外形，對(duì)其進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化后將汽車的尺寸參數(shù)進(jìn)行分類，分為1級(jí)尺寸、2級(jí)尺寸和3級(jí)尺寸。1級(jí)尺寸是汽車必備的基本尺寸，大致列為總長(zhǎng)、總寬、總高、軸距、輪距和輪胎直徑;2級(jí)尺寸是為目前已設(shè)計(jì)成熟的部件尺寸，也是本模型中不作單獨(dú)設(shè)計(jì)的影響汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的尺寸，大致列為發(fā)動(dòng)機(jī)罩長(zhǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩上端距地面高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩寬、頂蓋上繞縱向跨度、側(cè)面?zhèn)葍A橫向跨度、側(cè)面外鼓距離等;3級(jí)尺寸為本模型單獨(dú)設(shè)計(jì)的影響汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的尺寸。分別是前風(fēng)窗角(FWW，即前風(fēng)窗弦線與水平線的夾角)、后風(fēng)窗角(BWW，即后風(fēng)窗弦線與水平線的夾角)、接近角(AFA，即從汽車前部下端引向前輪胎胎面的切面與地面之間的最小夾角)、離去角(DRA，即從汽車后部下端引向后輪胎胎面的切面與地面之間的最小夾角)。提取這些參數(shù)，以期達(dá)到改變某一個(gè)參數(shù)或同時(shí)改變某幾個(gè)參數(shù)生成不同汽車模型的目的。具體參數(shù)設(shè)計(jì)草圖如圖1，從圖中可清晰看出3級(jí)尺寸參數(shù)的位置。

圖1 3級(jí)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)草圖Fig.1 Parametric sketch of three dimension

所建模型的部分參數(shù)。1級(jí)尺寸:總長(zhǎng)La=4 600 mm，總寬Wa=1 400 mm，總高Ha=1 620 mm，前后輪胎軸距Lb=2 800 mm，輪胎直徑520 mm;2級(jí)尺寸:發(fā)動(dòng)機(jī)罩的總長(zhǎng)9 000 mm，C點(diǎn)坐標(biāo)(1 200，1 000)、D 點(diǎn)坐標(biāo)(1 200，3 800);3 級(jí)尺寸(即影響汽車空氣動(dòng)力特性外形參數(shù)):前風(fēng)窗夾角，后風(fēng)窗夾角，接近角以及離去角，設(shè)計(jì)的8種模型的具體參數(shù)值如表1。

表1 8種模型參數(shù)Tab.1 Parameters of eight models

8種參數(shù)下的模型如圖2，通過(guò)改變一個(gè)參數(shù)或同時(shí)改變幾個(gè)參數(shù)CAD模型分別呈現(xiàn)出了不同的變化。由于在建模的過(guò)程中作了一些簡(jiǎn)化處理，大致描繪出了汽車的基本外形輪廓。

圖2 8種參數(shù)下的汽車模型Fig.2 Car models of eight parameters

1.2 網(wǎng)格模型建立

因前方來(lái)流相對(duì)于車體縱向?qū)ΨQ面并無(wú)氣流偏角且兼顧節(jié)省內(nèi)存耗用時(shí)間，故選取計(jì)算區(qū)域縱向?qū)ΨQ的一半為計(jì)算對(duì)象。通過(guò)對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格重構(gòu)，局部加密以及Trim體網(wǎng)格的生成，各組模型下的面網(wǎng)格數(shù)量在91×105左右，體網(wǎng)格數(shù)量在281×105左右。體網(wǎng)格模型如圖3。

圖3 汽車外流場(chǎng)Trim體網(wǎng)格Fig.3 Trim mesh of car external flow field

2 計(jì)算條件設(shè)定

本次在Star-ccm+中進(jìn)行風(fēng)洞仿真模擬有2大特點(diǎn):①基于某一參數(shù)的改變，通過(guò)某一局部參數(shù)的改變，對(duì)汽車外流場(chǎng)的影響的顯著性是有限的，因此在檢測(cè)的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和行駛阻力時(shí)，保留了相對(duì)多的有效數(shù)字位數(shù)，以便于分析對(duì)比;②計(jì)算時(shí)所采取的湍流模型是SST κ-O模型，這一模型由湍動(dòng)能κ和湍流脈動(dòng)渦量的均方值O表征的二方程湍流模型。

2.1 計(jì)算理論基礎(chǔ)

氣流流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，而基本的守恒定律有質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。控制方程則是對(duì)這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，基本的控制方程包括:質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。模擬汽車外部流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀況除了這些基本方程外，湍流模型的選擇對(duì)于數(shù)值模擬汽車外流場(chǎng)的精度影響很大。針對(duì)湍流模型的選擇上，本次模擬在使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型基礎(chǔ)上，又添加κ-O模型，組成雙方程SST湍流模型。κ-O模型的控制方程如式(1)、式(2)。

湍動(dòng)能κ方程表示為:

SST湍流模型是由κ-ε模型和κ-O模型組合推導(dǎo)得出的雙方程模型，組合后的雙方程會(huì)在近壁面區(qū)采用κ-O模型而在遠(yuǎn)壁面區(qū)采用κ-ε模型，從而避免了來(lái)流微小擾動(dòng)對(duì)模擬計(jì)算的影響。SST κ-O模型適用于低雷諾數(shù)下的近壁區(qū)處理，能適應(yīng)壓力梯度變化的各種物理現(xiàn)象，可應(yīng)用于黏性內(nèi)層，通過(guò)壁函數(shù)的應(yīng)用，精確地模擬邊界層的現(xiàn)象，無(wú)需使用較容易失真的黏性衰減函數(shù)，且能大范圍捕捉近壁區(qū)之外的分離流動(dòng)，適用于分析汽車外部流場(chǎng)。

2.2 邊界條件設(shè)定

為了保證相對(duì)較高的計(jì)算精度和較好的對(duì)比性并考慮到現(xiàn)有硬件設(shè)備的局限性，本次模擬所采用的計(jì)算域分別設(shè)置為車前端為3倍車長(zhǎng)，車后端為6倍車長(zhǎng)，側(cè)面為3倍車寬，高為3倍車高。設(shè)置6層邊界層，邊界層厚度為0.6 mm。汽車外流場(chǎng)CFD模擬的邊界條件主要包括進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對(duì)稱面邊界條件等。因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中未考慮側(cè)向風(fēng)和溫度的影響，進(jìn)口為速度進(jìn)口，模擬百公里時(shí)的工況，出口為壓力出口，采用一個(gè)大氣壓。

3 結(jié)果分析與比較

3.1 風(fēng)阻系數(shù)和升力系數(shù)

對(duì)每種參數(shù)模型下進(jìn)行汽車外流場(chǎng)仿真模擬，并監(jiān)測(cè)其風(fēng)阻系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl，如圖4。

對(duì)照原設(shè)計(jì)參數(shù)，分析更改參數(shù)之后的Cd、Cl值的變化情況。從圖4可以看出:

圖4 Cd、Cl曲線圖Fig.4 Curves of Cd ＆ Cl

1)參數(shù)2在原設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上增大前風(fēng)窗角，理論上風(fēng)窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過(guò)大，否則導(dǎo)致工藝難實(shí)現(xiàn)、視覺(jué)失真、影響刮雨器的刮掃效果。前風(fēng)窗玻璃的橫向曲率均有利于減小氣動(dòng)阻力。前風(fēng)擋玻璃的傾斜角度(與垂直面的夾角)越大，氣動(dòng)升力系數(shù)略有增加。這組數(shù)據(jù)的改變較之原設(shè)計(jì)參數(shù)Cd值減少、Cl值增加，符合這一理論。

2)參數(shù)3改變后風(fēng)窗角的大小，后風(fēng)窗斜度(后風(fēng)窗弦線與水平線的夾角)增大，阻力系數(shù)較之原設(shè)計(jì)模型有所降低，升力系數(shù)有所提高。

3)參數(shù)4只是在原模型的基礎(chǔ)上減少了接近角的度數(shù)，接近角度數(shù)的減少直接造成車頭頭緣的最大離地間隙變小，則引起的氣動(dòng)升力減小，甚至可以產(chǎn)生負(fù)升力。這里的升力值(0.067)較其他參數(shù)下的明顯減少，印證了這一理論。

4)參數(shù)5只增大汽車離去角，氣動(dòng)升力減小。3組優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定，也相應(yīng)得出不同的阻力系數(shù)和升力系數(shù)值。

3.2 流場(chǎng)特性

阻力系數(shù)和升力系數(shù)的變化，反應(yīng)出不同參數(shù)模型下對(duì)氣動(dòng)性能的影響情況。在后處理中，還監(jiān)測(cè)了車身表面的速度矢量圖(圖5)，通過(guò)直觀的視圖效果分析流場(chǎng)特性。

從圖5中可以看出，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行小幅度的改變，在汽車前風(fēng)窗和尾部的流體在不同模型下發(fā)生了一些改變。從圖5(b)參數(shù)2模型上可以看出增大前風(fēng)窗角，汽車頂部的氣流分離加劇，速度增大;從圖5(c)參數(shù)3模型上可以看出后風(fēng)窗角增大，導(dǎo)致氣流在后風(fēng)窗后的滯留量增大，造成前方氣流不利于向后順利流動(dòng);從圖5(d)參數(shù)4模型上可以看出增大接近角，會(huì)影響到前方來(lái)流進(jìn)入汽車底板的通量，大量氣流進(jìn)入底板，造成升力系數(shù)上升。圖5(e)參數(shù)5模型增大了離去角，車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯。3組優(yōu)化參數(shù)的設(shè)計(jì)在汽車尾流出產(chǎn)生了各自不同的氣流狀況。圖5(f)參數(shù)6模型上的尾部下壓和上卷氣流比較均衡。圖5(g)參數(shù)7模型上，尾部下壓氣流明顯增多，上卷氣流減少，造成升力值增大。圖5(h)參數(shù)8模型下的下壓氣流相對(duì)5(f)參數(shù)7模型要小些，因此升力值也相應(yīng)減少些。

圖5 車身表面速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors of body surface

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)分析可以得出以下結(jié)論:

1)汽車前端前凸且高不僅會(huì)產(chǎn)生較大的阻力而且還將會(huì)在車頭上部形成較大的局部負(fù)升力區(qū)。

2)具有較大傾斜角度的車頭可以達(dá)到減小氣動(dòng)升力乃至產(chǎn)生負(fù)升力的效果。

3)后風(fēng)窗斜度(后風(fēng)窗弦線與水平線的夾角)對(duì)氣動(dòng)阻力影響較大，對(duì)斜背式轎車，斜度等于30°時(shí)，阻力系數(shù)最大;斜度小于30°時(shí)，阻力系數(shù)較小。

4)車尾部最大離地間隙越小，車尾底部的流線越明顯，則氣動(dòng)升力越大。

本文分析過(guò)程雖然在CAD模型的改變上省去了很多重復(fù)的工作，但在Star-ccm+進(jìn)行外流場(chǎng)分析時(shí)仍然是耗費(fèi)了大量的時(shí)間用在重復(fù)的分析流程上。因此，后續(xù)的研究工作可將這一流程自動(dòng)化，以基于影響空力學(xué)的參數(shù)對(duì)Star-ccm+進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)輸入不同的參數(shù)，得到不同的分析結(jié)果。尤其是在分情況進(jìn)行不同參數(shù)的比較論證中，二次開(kāi)發(fā)這種減少重復(fù)工作的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得更為明顯。這是對(duì)CAD、CAE、CFD集成技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)，必將成為快速設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

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