基于CFD的太陽能汽車的氣動外形分析

中北大學機電工程學院 李東風 肖豐樂

隨著科技的發展和社會的進步，汽車逐漸融入了人們的生活，成為人們生活必需的交通工具，但眾所周知，這也給環境帶來了巨大的污染。在我國，汽車尾氣排放量占城市總污染份額已達到了25%～40%，在大城市的溫室效應中40%來自汽車尾氣排放[1]。一般汽車使用石油產品作為燃料，然而石油屬于不可再生資源。為了減輕汽車尾氣排放對環境的污染并應對能源危機，目前一條行之有效的途徑就是尋求無污染、可再生能源替代石油產品作為汽車燃料,太陽能就是可替代能源之一。太陽能汽車是利用車身上的太陽能電池板將太陽能轉化為電能，通過電動機驅動汽車的一種新能源汽車。

但是目前太陽能汽車還沒有大面積的普及，一個重要原因就是太陽能電池板的能量轉化率太低，使得汽車的續航距離不足，所以如何提高太陽能汽車的續航距離成為急需解決的問題[2]。研究表明，車速超過100 k m/h時，絕大部分的功率都消耗在克服空氣阻力上[3]，所以汽車車身的氣動性能對太陽能汽車續航能力的強弱起到至關重要的影響。由于風洞試驗成本高昂而計算機卻在不斷發展和應用，目前多采用計算流體力學技術（CFD-Computational Fluid Dynamics）對汽車外形的氣動性能進行分析，目前這一技術已成功為客車[4]和磁懸浮列車[5]完成氣動外形分析，所以本文采用CFD技術對某太陽能汽車的氣動外形進行分析，為科學評估太陽能汽車的車身氣動性能提供依據。

1 車身模型

在數值模擬過程中僅需要對車體周圍的流場整體考慮，由于汽車的外形復雜，細節很多，網格生成困難，計算量大大增加，所以要對車身進行理想化處理，如圖1所示。汽車模型是對稱圖形，所以為了提高分析的效率，采用對稱模型，如圖2所示。隨著非結構網格技術的發展，完全可以采用對汽車的流場劃分非結構網格的方法，而汽車附近的氣流變化劇烈可以在車身附近對網格進行適當的加密以捕捉復雜的氣流變化，如圖3所示。本文入口采用速度入口，速度為33.3 m/s，出口為壓力出口，壓力為一個大氣壓，即101325 Pa，計算中不考慮溫度的影響。考慮到地面效應的影響[7]，所以汽車的氣動外形分析和飛機不同，必須有一定的離地距離。

圖1 太陽能汽車模型

圖2 計算域和邊界條件

圖3 汽車外流場網格模型

2 計算結果與分析

汽車外形決定汽車車身表面壓力分布情況，在該方面的研究對汽車所受氣動力的分析有著重要的影響。從圖4對稱面上的壓力云圖可以看出，車身前部，擋風玻璃和行李箱蓋后緣等壓線比較密集，這意味著壓強梯度大，而正壓區和負壓區壓強梯度大意味著該區域平均壓強大和流動能量損失大，兩者相互作用的結果就是氣動阻力大。

圖4 縱對稱面上的壓力分布

車身前部、前擋風玻璃等處都有一定的正壓區，如圖5（a）所示，這是由于這些區域直接承受氣流的沖擊，它們是構成整車氣動阻力的主要因素。一般可以通過改進車頭和擋風玻璃的形狀，以減小車頭和擋風玻璃的正投影面積，這樣會減小氣動阻力。在車身的行李箱部位呈現出較大的負壓區域，如圖5（b）所示，這是由于從后風窗玻璃沖擊下來的高速氣流由于受到行李廂的屏蔽作用而使廂體后部呈現一個壓強較低的區域，而且從車體頂部、側面、底部匯流入廂體尾部的較高壓強的氣流在此形成了大尺度的漩渦，漩渦消耗了大量的能量，從而使后部呈現負壓。本車身模型所受的壓差阻力和粘性阻力分別為7970.78 N和1473.81 N，對于一般汽車來說壓差阻力遠遠大于粘性阻力，但是由于太陽能汽車車身表面需要安裝大量太陽能電池板，所以需要車身表面積較大，這就導致了粘性阻力相對也較大。

圖5 車身表面壓力云圖

3 結論

采用CFD技術完全可以分析太陽能汽車車身的氣動性能，在日后的汽車研發領域，CFD技術正是預測整車外流場設計開發的重要工具。風洞試驗成本昂貴和試驗周期長，而且取得整個流場詳細的流動狀況非常難,而采用高精度C F D數值模擬可以提供整個汽車外流場上的流場結構特征的詳細信息，并且能夠有效降低設計成本，縮短開發周期。

[1]崔立宏.太陽能在汽車上的應用及發展前景[J].汽車工程師，2012（12）：57～60.

[2]杜小娟，易靈芝，彭海成等.基于超級電容器的太陽能汽車儲能系統研究[J].計算技術與自動化，2013，32（1）：55～59.

[3]熊可嘉，楊坤.轎車氣動阻力優化CFD研究[J].北京汽車，2011（5）.

[4]張潔，梁習鋒，劉堂紅等.強側風作用下客車車體氣動外形優化[J].中南大學學報（自然科學版），2011，42（11）.

[5]姚曙光，許平.國產磁浮列車氣動外形優化及車體結構設計[C].中國空氣動力學會2004全國工業空氣動力學學術會議論文集，2004∶147～154.

[6]B aker C J,H umphreys N D.Assessment of the adeq uacy of v arious wind tunnel techni q ues to obtain aerodynamic data for ground v ehicles in cross winds[J].J ournal of Wind Engineering and I ndustrial Aerodynamics，1996（60）∶49～68.