基于CFD的運動型多功能車氣動特性分析

□ 劉海波 □ 辛 舟 □ 馮國慶 □ 宋西華 □ 張德鵬

蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050

汽車行駛時氣流的作用主要是產生升力和阻力，對于高速行駛的汽車，良好的空氣動力穩定性是安全行駛的前提。運用計算流體動力學（CFD）方法研究汽車行駛中的外流場，具有周期短、費用低等優勢，且比風洞試驗更細致，因此得到了越來越廣泛的重視［1-3］。

1 汽車外流場數值模擬理論基礎

在汽車空氣動力學領域中，計算模擬方法的實質就是把描述空氣運動的連續介質數學模型離散成大型代數方程組，建立可在計算機上求解的算法［4］。

1.1 基本控制方程

基本控制方程包含連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程，由于能量方程是流體流動與傳熱問題的基本控制方程，對于汽車外流場，熱交換量很小，可以忽略，故在仿真過程中不考慮能量守恒方程，只需聯合求解連續性方程和動量方程［5-6］。

1.2 湍流模型

汽車外流場的湍流解析模型主要包括單方程模型、標準 k-ε 模型、RNG k-ε 模型、Realizable k-ε 模型以及大渦模擬。因為標準 k-ε模型對于三維流場精度是不高的，且Realizable k-ε模型收斂性較RNG k-ε模型要好，所以本文選擇Realizable k-ε模型。

2 SUV運動型多用途車幾何模型建立與網格劃分

2.1 CAD幾何模型建立

因為本次研究側重于車身造型對汽車氣動特性的影響，所以在不影響車身擾流整體走向的前提下，對車身模型作簡化處理，省略車燈、后視鏡、門把手凹陷處及輪胎等車身外部的突出部件，同時對車底部做了平整處理，選用CATIA軟件建立CAD幾何模型。

2.2 計算區域的確定

為了使來流均勻穩定，來流進口應距車身頭部一定距離，而為使尾流充分發展，車身尾部距離出口應保持適當距離，以避免在計算過程中因計算區域過小產生回流［7］。如圖1所示，本次仿真設定的計算區域為模型前部取3倍車長、后部取6倍車長、總高度取4倍車高，以確保上邊界氣流不受車身擾流的影響，總寬度取7 倍車寬［8］。

圖1 風洞與整車的計算區域模型

2.3 網格劃分

采用FlUENT軟件的前處理，選用ICEM CFD作模擬網絡劃分。本次仿真網格劃分采取策略是，首先在車身以及計算域邊界的表面生成三角形殼網格，如圖2所示，然后在殼網格的基礎上，在車身表面上拉伸3層三棱柱網格，最后用四面體網格填充棱柱網格與邊界之間的空隙。

圖2 車身切面處體網格的分布情況

3 模型的求解與結果分析

3.1 模型求解設置

風洞入口邊界設定為速度進口，來流速度V=30 m/s，即108 km/h。出口邊界條件為自由條件，計算中不考慮溫度的影響。采用Realizable k-e模型，車身表面、計算邊界及地面都默認為邊界條件，且設置為無滑移邊界條件，所有物理量的殘差設定為1×10-4，迭代次數設置為2 000步。

3.2 求解結果分析

通過本次仿真，可以得出汽車外部流場的壓力和氣流速度的分布情況，由圖3及圖4可以看出，當來流與汽車車頭相遇，使流速大大降低，形成一個高的正壓區。而在駐點附近氣流產生分支，一部分沿發動機罩流向前擋風玻璃，另一部分流向汽車底部。流向汽車上部的氣流在流經汽車發動機蓋前緣時，由于該部分的結構曲率大，氣流不能及時轉折而出現局部分離，且不斷加速，會產生一個負壓區。

圖3 車身表面靜壓云圖

圖4 車身表面速度矢量圖

當氣流順發動機罩經擋風玻璃與發動機罩交接處的凹角流向擋風玻璃時，在發動機罩中部開始分離，然后在前擋風玻璃上再附著，在分離點與附著點之間形成一個渦旋區域。當氣流到達前風擋上緣時，氣流發生轉折，形成負壓區，之后氣流流經頂棚，由于流動沒有受到阻礙，所以流速較高，再次出現大的負壓區。

在車的尾部也出現一段負壓區，如圖5、圖6所示。在該處的氣流流動是非常復雜的，存在著兩個大尺寸的渦。形成渦的主要原因是：流體流經汽車尾部末端處，突然失去了依附，這些流體與汽車尾部的負壓區之間形成了剪切層而被卷吸。汽車的尾渦是產生壓差阻力的主要原因，為了避免尾渦的產生，應防止汽車頂部和側部氣流互相混合。

圖5 車身縱向對稱面處靜壓云圖

圖6 車身縱向對稱面處速度矢量圖

4 結論

（1）汽車正面投影面積對整車氣動阻力的影響是很大的，為了減小風阻系數，要降低車身的迎風面積。汽車車身上、下部的壓力之差形成了汽車升力。

（2）汽車空氣動力學性能受到車身造型的影響很大。CFD仿真計算雖然存在誤差，但其仍然是研究汽車空氣動力學的一種重要方法，分析結果對于設計開發人員優化產品具有重要參考價值。

［1］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用 ［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［2］ 傅立敏.汽車空氣動力學［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］ 趙又群，張奇.高速轎車車身前部外流場數值模擬［J］.中國機械工程，2007，18（15）：1886-1889.

［4］ 嚴鵬，吳光強，傅立敏，等.轎車外流場數值模擬［J］.同濟大學學報，2003，31（9）：1082-1086.

［5］ 谷正氣.汽車空氣動力學［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］ 張楊軍.汽車空氣動力學數值仿真研究進展［J］.汽車工程，2001，23（2）：171-172.

［7］ 徐佳奕.某載貨汽車空氣動力學減阻研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［8］ 許志寶.汽車外流場CFD模擬 ［J］.合肥工業大學學報，2007，30（12）：162-164.