基于STAR-CCM+的某汽車外流場的數值模擬

覃 群，黎仕增,3，吳春玲，黃森仁

QIN Qun1, LI Shi-zeng1,3, WU Chun-ling2, HUANG Sen-ren2

（1.廣西機電職業技術學院，南寧 530007；2.中國汽車技術研究中心，天津 300162；3.廣西大學，南寧 530004）

0 引言

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一門通過將時間離散為時刻[1]，將空間離散為網格結點，把物理變量離散到網格點上，進而得到離散形式的流體力學基本方程，通過計算機求解得到其近似數值解，來研究流體運動規律的學科。在過去的幾十年中，隨著計算機技術的發展，CFD技術被越來越多的應用到了汽車設計中。

整車氣動性能是汽車空氣動力學的核心問題[2]，在造型階段，氣動性能主要關注車輛的阻力系數。它是汽車（特別是乘用車）最重要的參數之一，對汽車的動力性、經濟性、操縱穩定性等都有著及其重要的影響。當車速達到100km/h時發動機約80%的動力用來克服氣動阻力，假如整車空氣動力學性能提高10%，油耗就可降低4%～5%。

汽車外流場屬于不可壓空氣的鈍體繞流，流動尺度跨度大，各局部的流動特征差異大，尾部和底部的流場十分復雜，局部的非定常性很強。汽車空氣動力學與航空空氣動力學有很大的不同[3]，在航空空氣動力學中各個部件可以相對獨立地進行研究，各部件間的相互作用也可以進行系統地評估；而汽車外流場則不同，必須從整體進行考慮，且在汽車的氣動性能達到一定程度后，就很難通過對各個局部的分別優化使其氣動特性再有較大幅度的提高。所以，如何在造型階段控制整車阻力系數是整車氣動性能開發工作中的重中之重。

__汽車空氣動力學的研究主要有兩種方法[4]：一種是進行風洞實驗，另一種是利用計算流體動力學（CFD）技術進行數值模擬。傳統的汽車空氣動力學研究是在風洞中進行實驗，存在著費用昂貴、開發周期長等問題。另外，在風洞實驗時，只能在有限個截面和其上有限個點處測得速度、壓力和溫度值，而不可能獲得整車流場中任意點的詳細信息。隨著計算機技術和計算流體動力學的發展，汽車外流場的計算機數值仿真由于其具有可再現性、周期短以及低成本等優越性而成為研究汽車空氣動力學性能的另一種有效方法[5]。

1 CFD建模分析

1.1 整車氣動性能分析簡介

流體力學有以下三個基本方程[6]，分別為：

通常，在計算整車的氣動性能時，只求解前兩個方程，而不考慮能量方程。當車速為120km/h時，馬赫數約為0.1，在整車相關的流動現象中，絕大多數情況下馬赫數小于0.3，流體可視為不可壓縮。整車的啟動性能參數有阻力系數Cd，升力系數Cl。

1.2 網格模型

對汽車外流場進行仿真，首先是車身模型的建立和簡化處理：省略了進氣格柵、后視鏡、雨刮器、前輪輪罩、車燈、門把手、后視鏡等；同時，還要對底部作平整覆蓋，最終形成封閉幾何模型。這些改變對流場總體特性并沒有太大的影響，卻能提高計算的經濟性。

在對汽車外流場進行模擬時，其模擬風洞要滿足以下條件：車前3倍車長，車后5倍車長，左右各5倍車寬，高度為5倍車高，汽車的流場就不再受計算域大小的限制，不會出現堵塞效應。本案例中設定計算區域長55m，寬20m，高15m。在原始UG模型上，把車身幾何模型文件的igs格式轉化成stl格式，導入STAR-CCM+中進行網格劃分。整個數模應用STAR-CCM+軟件的包面功能生成面網格，指定網格尺寸和邊界層厚度，直接生成體網格。

因為車身的幾何形狀復雜，整個外流求解域大，網格數目多，通過體積源項(Volume Source)進行局部體網格加密，捕捉細節，這樣既能保持計算的精度、提高計算的收斂性和穩定性，又能控制網格的總體數量，節約計算時間。

對整個求解域進行分區，車身周圍較近的求解域為內部區域，其余的為外部區域。離車身近的區域網格劃分比較密，同時對車身以及車身底部地面附近的區域進行網格加密，使之能夠清楚的表現車身表面附近和地面邊界層附近的細致情況。而遠離車身的區域，網格逐漸變得較稀疏。最終總計生成網格數約500萬，如圖1（a）所示。

圖1 計算域局部加密后的網絡模型

圖1（b）中顯示出最終生成的體網格為切割體網格，在車身轉折處生成致密的網格，并依計算區域離車身遠近，網格逐漸稀疏，網格質量檢查表明完全滿足計算要求。

1.3 邊界條件的設定

汽車外流場的數值模擬是在有限區域內進行，因此在區域的邊界上需要給定邊界條件[8]。汽車外流場的邊界條件設置如下：取遠端來流方向的端面為入口邊界，氣流速度為車速；車身后遠端端面為出口邊界，壓強為0Pa（相對于大氣壓），其余各變量分量梯度為0；車身表面為固定邊界，各方向速度均為0；假設汽車行駛的工況為在靜止的空氣中（無風條件下）、平直的路面上等速直線運動，這樣，汽車與地面、汽車與空氣的相對速度均為汽車行駛速度，此處采用了移動地面的做法，以消除地面附面層的影響。

物理模型的設定：采用分離解算器，選用K-Omega湍流模型和雷諾平均湍動模型（Reynold-Averaged Turbulence）。

1.4 計算結果分析

在本案例的計算中選取速度為變化量，分別設定速度為30km/h、50km/h、80km/h、100km/h，在某16核CPU工作站經歷計算1小時后，計算收斂，經處理計算和作圖后以備分析。

依據汽車阻力系數和升力系數的定義[9]：

其中：F為空氣阻力，ρ為空氣密度，V為汽車速度，A為車身正投影面積。當速度為100km/h時，Cd=0.352，與實車風洞試驗數據Cd=0.334相比，相差5.1%，基本吻合，可達到分析精度要求。其它各速度下模擬值和試驗值對比如圖2所示：

圖2 風阻系數Cd模擬值和試驗值的對比

圖3為車身縱向對稱面壓力云圖。從圖中可以看出，壓力云大體上可分為四部分：壓力最大的部分是車頭正面部分，主要的正壓力均出現在該處，這說明車身的主要阻力主要來自于車頭部分；車頭頂部和底部出現小部分負壓，但面積較小，主要是由于車頭擠壓空氣后，在該處形成兩處小的渦流真空；車尾部大部分工況下是負壓存在的，基本上整個車身尾部均處于負壓的范圍內，且壓力變化不是很劇烈；尾渦區的壓力梯度變化較小，會減少尾渦區域的影響范圍，減小阻力。

汽車前部壓力比較大，而后部存在負壓，其前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力，這部分阻力占總阻力的絕大部分。要想降低汽車的氣動阻力，必須設法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力。

圖3 計算域縱向對稱面壓力云圖

圖4是汽車行駛過程中，其對稱面上的流速矢量圖。從圖中可以看出，在各個車速下，大部分流場均以層流的形式出現，而車身尾部出現了較大的渦流。

圖4 對稱面流速矢量場分布圖

圖5為汽車縱向中心對稱面的流態。根據定義可知，流線的切線方向即是質點速度的矢量方向。通過流態分析，可以理解重要的流動過程。從圖中可以看出各流線之間不是等間距，而各流線之間間距的差異，表明了升力的來源：間距近，則其流速高，靜壓低，產生與汽車行駛方向垂直的縱向力（升力），趨于將汽車提起、從而減小有效載荷；隨之產生的俯仰力矩，則造成前后軸荷的轉移。

圖5 車身縱向流線圖

2 結束語

在我國大力提倡自主創新、自主研發的背景下，汽車行業新車開發項目越來越多。在新車開發中，用CFD的方法對整車外形進行氣動力學的分析已經成為整車開發前期對氣動性能進行評估的有效手段之一。

1）分析說明，在新車型開發過程中，應用CFD技術對汽車外流場進行建模和仿真模擬，是一種對其進行氣動性能分析快速有效的方法。

2）車身周圍的壓強分布，很大程度上決定了汽車所遭受的壓差阻力，這部分阻力占汽車總阻力的主要部分。設法升高汽車尾部的壓力，或者減少汽車頭部的壓力，都將有助于降低壓差阻力。

3）車身流線分布是一種造型設計有效的分析手段，應該合理設計車型，控制尾渦的形成強度。

[1] 黃向東.汽車空氣動力學與車身造型[M],北京:人民交通出版社,1999.

[2] 謝金法.三維湍流轎車外流場數值模擬[D].吉林:吉林工業大學,2000.

[3] 傅立敏.汽車空氣動力學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[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] Kataoka T,China H.Numerical Simulation of Road Vehicle Aerodynamics and Effect of Aerodynamic Devices.SAE910597.

[6] 谷正氣,姜樂華,吳軍,方剛.汽車繞流的數值分析及計算機模擬[J].空氣動力學學報,2000.

[7] Wagner B,Schmidt W.Computation of Automobile Aerodynamics by Use of Numerical Methods Developed in Aerodynamics Industry.SAE 870716.

[8] 喬軍平.轎車外流場的數值模擬[D].北京:北京航天航空大學,2004.

[9] A.P.Gaylard,A.J.Baxendale etc,The Use of CFD to Predict the Aerodynamic Charateristics of Simple Automotive Shape, SAE 980036.