汽車車身外流場計算模型及仿真

摘 要：文章利用計算流體力學(xué)方法，基于Fluent軟件平臺分析研究汽車的空氣動力性能。通過對作為邊界的車身外表面以及流場的網(wǎng)格劃分，并采用適當(dāng)?shù)木仃嚧鷶?shù)算法，得到汽車外部流場的近似數(shù)值解，從而了解汽車周圍流速、壓力等的分布情況，進(jìn)而確定汽車的氣動特性與參數(shù)。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；Fluent；外流場；網(wǎng)格劃分；數(shù)值模擬

引言

汽車在行駛的過程中不可避免的要與周邊空氣發(fā)生相互作用，隨著車速的增加，這種相互作用會愈加的劇烈。空氣對在行駛中的汽車施加力和力矩，從而影響汽車的行駛。所以，在汽車開發(fā)過程中，研究并優(yōu)化汽車的空氣動力性能非常重要。另外，汽車的空氣動力學(xué)性能不僅影響著汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時也對汽車的動力性、穩(wěn)定性和操作性等方面有著巨大的影響，所以現(xiàn)代汽車設(shè)計越來越關(guān)注汽車的空氣動力性能研究。

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對汽車結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)已基本成熟，且對更為復(fù)雜的流動問題的模擬計算也在不斷的發(fā)展，其中計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics 簡稱CFD）受到了越來越多的關(guān)注。計算流體力學(xué)已從定性的分析發(fā)展到定量的計算，其應(yīng)用也從最初的航空領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展到包括汽車在內(nèi)的多個領(lǐng)域[1-3]。新車型的開發(fā)過程中，空氣動力性能分析是必不可少的。利用數(shù)值模擬的方法對汽車行駛中的外流場進(jìn)行分析能夠用來預(yù)測或解決一些理論及實(shí)驗(yàn)都無法處理的復(fù)雜流動問題，并能取代部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。但要求對問題的物理特性有足夠的了解，才能建立合適的數(shù)學(xué)方程及相應(yīng)的初始、邊界條件等，這些都離不開實(shí)驗(yàn)和理論方法的支持。目前，數(shù)值方法主要是應(yīng)用歐拉方程和納維-斯托克斯方程。在汽車設(shè)計的研究分析領(lǐng)域，數(shù)值方法與傳統(tǒng)的研究方法相結(jié)合， 能夠有效地改善汽車性能、節(jié)約研究資金、提高研究效率。汽車車身外流場計算模型及仿真是計算流體力學(xué)在汽車外流場分析方面的應(yīng)用研究之一[4-8]。本文通過建立汽車車身外流場的計算模型，利用計算流體力學(xué)方法和適當(dāng)?shù)木仃嚧鷶?shù)算法，基于Fluent仿真平臺，分析研究汽車車身的空氣動力性能。

1 汽車車身繞流的數(shù)學(xué)模型

流場運(yùn)動中，流場運(yùn)動基本方程是根據(jù)基本物理定律質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒定律按一定的流體流動模型推導(dǎo)的。對于空氣來說，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速時，也就是風(fēng)速小于408km/h，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體。而對汽車來說，最高速度一般都小于400km/h，因此汽車空氣動力學(xué)研究可以把周圍的氣體考慮成不可壓縮的。轎車?yán)@流問題一般為定常、等溫、不可壓縮的三維流場，由于復(fù)雜外形會引起氣流的分離，由于計算機(jī)技術(shù)的限制，目前還不能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的方程是雷諾時均N-S方程，為使方程封閉這里采用可實(shí)行的K-？著模型。

汽車外流場的控制方程如下：

式中，u0為流體動力粘性系數(shù)；ut為渦粘性系數(shù)；i，j=1，2，3；X1=x；X2=y；X3=z；u1=U；u2=V；u3=W；G主要取決于流場的渦流特性，是流場空間位置的函數(shù)。

2 汽車模型K-？著參數(shù)確定

由數(shù)模可以得到車長L=3.916m；車速定為v=20m/s；雷諾數(shù)Re= =5.21×106（其中空氣在20℃時的密度？籽=1.205kg/m3，動力粘性系數(shù)？滋=1.81×10-5kg/ms）。根據(jù)雷諾準(zhǔn)則，這是一個雷諾數(shù)問題，適用于K-？著模型。

3 Fluent求解

在Fluent中選擇合適求解小車外流場的求解器。選擇基于壓力的求解器，這適合于不可壓縮的流動。同時選擇隱式求解器，網(wǎng)格單元內(nèi)的未知量用臨近單元的已知量和未知量來計算。因此，每個未知量會不只在一個方程中出現(xiàn)，這些方程必須同時求解才能解出未知量。另外，通過設(shè)置，確定選擇的是三維穩(wěn)態(tài)的計算模型，速度場是絕對的，并且按壓力梯度計算。

然后設(shè)置求解控制參數(shù)，進(jìn)一步確定使用SIMPLE型求解器，在求解過程中聯(lián)立流動方程和湍流方程，求解方法采用“求解壓力耦合方程組的半隱式求法”。為了提高計算結(jié)果的可靠性，我們選擇二階離散精度。事實(shí)上，為了使結(jié)果盡快收斂，前半部分使用一階離散精度，迭代330次后，使用二節(jié)離散精度，繼續(xù)求解。對于欠松弛因子，選用默認(rèn)值即可。

設(shè)置收斂判據(jù)，選中Check Convergence復(fù)選框，表示當(dāng)每個變量的值到達(dá)Convergence Criterion文本框中的規(guī)定的值時，求解器就認(rèn)為計算已經(jīng)收斂。

圖1 Fluent的求解的收斂過程

圖1中，在迭代到330次時，改為二階迎風(fēng)離散精度，繼續(xù)求解。最終在445次迭代時收斂。

4 汽車風(fēng)阻系數(shù)和升力系數(shù)

該輛小轎車在20m/s的速度下行駛，受到的空氣阻力由Fluent計算得到Fп=170.28N，其迎風(fēng)面積S=2.25m2，根據(jù)求解空氣阻力系數(shù)的公式：

同樣，由Fluent計算得到，該輛小轎車在20m/s的速度下行駛，受到的空氣升力為FT=14.95N。根據(jù)如下求解空氣阻力系數(shù)的公式：

5 車外流場的后處理及分析

對Fluent求解器得到的數(shù)據(jù)，只是對應(yīng)于每個網(wǎng)格的相關(guān)物理量的數(shù)值大小和方向等信息。為了整體的把握小轎車外流場的特點(diǎn)和直觀地呈現(xiàn)出計算結(jié)果，需要對其進(jìn)行后處理，轉(zhuǎn)化為圖像來描述結(jié)果。

由圖2可知，在汽車頭部，氣流受到垂直方向的阻滯，速度降為零，氣流壓力升高。在發(fā)動機(jī)罩和擋風(fēng)玻璃之間存在一個比較大的正壓區(qū)；同時，在擋風(fēng)玻璃與汽車頂蓋以及汽車頂蓋與后窗之間存在一個絕對值比較大的負(fù)壓區(qū)；而汽車底盤下面為一個變化緩慢的負(fù)壓區(qū)域。前輪外側(cè)邊緣有一絕對值很大的負(fù)壓區(qū)，不過面積不大。

Fluent在車頂蓋的最大流速為26.4m/s，求得的速度最小值都在車頭和車尾，約為0。接近流場速度的數(shù)值模擬求得的極值。由于汽車底部的氣流離開尾部后，就迅速上揚(yáng)和來自汽車后擋風(fēng)玻璃的氣流相互沖撞，導(dǎo)致汽車尾部形成漩渦，產(chǎn)生能量耗散。

6 結(jié)束語

本文利用計算流體力學(xué)方法，使用Fluent軟件平臺分析研究了汽車的空氣動力性能，包括汽車周圍流速、壓力等的分布情況，從而確定了汽車的氣動特性與參數(shù)。仿真分析結(jié)果表明該方法在分析研究汽車空氣動力特性，輔助和優(yōu)化汽車車身設(shè)計方面的有效性。

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作者簡介：許莉娟（1983-），碩士，研究方向：隨機(jī)控制、魯棒控制、汽車電子。