汽汽車車外外流流場場分分析析及及其其在汽在車汽設車計設中計的中應的用

唐世坤，苗玉禮，王千浩

汽汽車車外外流流場場分分析析及及其其在汽在車汽設車計設中計的中應的用

唐世坤，苗玉禮，王千浩

（東風小康汽車有限公司，重慶 402247）

本論文以東風小康自主品牌某車型為案例，通過對該車型進行外流場分析，并對其分析過程與結果做通用性描述，模擬出整車滿載下的風阻系數、表面壓力分布云圖、車身流線分布情況等。通過風阻系數與迎風面積等相關參數，利用cruise 軟件對該車型的最大速度、各檔位的加速度、油耗等進行預測；根據表面壓力分布云圖、流線情況，可以判斷車型設計是否滿足預期設計。汽車外流場分析應用到汽車開發、設計，能給國內自主品牌汽車相關分析設計做參考性建議。

外流場分析；風阻系數；汽車設計

1　概 述

計算流體力學（CFD）是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的系統分析方法與工具。目前廣泛的應用于汽車、高速鐵路和航空領域等。CFD的基本思想是把原來在時間域與空間域上連續的物理量場，用一系列離散點上的變量值的集合來代替，并通過一定的原則和方式建立起反映這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組得到場變量的近似解。隨著國民經濟的快速發展，客戶對汽車的節能、平順性、噪音與振動等特性的要求越來越高，而這些特性與空氣動力學息息相關。在傳統的汽車空氣動力學研究中主要用風洞實測的方法，但是這樣會造價高、試驗周期長。近年來隨著計算機技術與湍流技術的飛快發展，把原來只能在風洞實驗室才能完成的試驗用計算機模擬來完成，這樣就大大的縮短開發周期與節約開發成本。雖然一般認為試驗的可信度高，但是其成本高、測量結果要進行換算、周期長等因素的影響，這在汽車開發設計中廣泛的應用汽車外流場分析模擬，通過與傳統的試驗方法相結合，這樣對一款新的汽車開發設計中可以縮短工期與降低成本。通過對該車型進行外流場分析 ，給出整車滿載下的風阻系數，把風阻系數、迎風面積等相關參數，輸入cruise 軟件能夠對該車型的最大車速、各檔的加速度、油耗進行預測。通過對該車型車身表面壓力分布云圖、車身流線圖等分析判斷該新車型外型設計是否合理。因此用CFD相關軟件對汽車的外流場分析，對汽車的設計是十分必要的。

2　模型處理與網格劃分

汽車車身表面存在大量細小特征，要精確地模擬所有詳細特征，經常會導致生成的網格單元數目巨大，從而大大增加了求解計算時間，因此在處理計算模型時對幾何模型進行合理的簡化。

2.1CAD模型的前處理

在CATIA中將汽車模型（特別是底盤部分）作合理的簡化：保留輪胎、后視鏡、門把手、行李架等部件；底盤部分，考慮其復雜性，這里將汽車底部簡化為一個完整平面，然后將車身表面和底盤的碎面縫合起來，形成若干個大的特征表面，將整個汽車簡化為封閉的殼體；然后在汽車周圍形成適當的空氣域，汽車與風洞幾何模型如圖1所示：

2.2有限元模型的前處理

網格生成采用貼體網格，由于主要關心車身周圍的流場變化，特別是由于車身的影響使得車身周圍的流體有分離與再附著現象，為了較合理的模擬車身表面附近的空氣流動，在車身外做邊界層網格，邊界層以外適當放寬網格大小控制網格規模。將車身的外表面生成為三角形網格，單元大小為5～20 mm，計算域單元大小為30～500 mm。體單元總數約為280萬左右，網格總體連續、均勻，過渡平緩，車身表面網格如圖2：

3　模型分析條件及結果分析

3.1分析條件

設風洞入口邊界條件為：u0=30m/s，出口邊界條件為壓力出口；空氣密度為ρ= 1.18415kg/m3；計算中不考慮溫度影響；由于計算限制，采用Realizable k-ε湍流模式和Two-layer Ally+ Wall 壁面函數；計算選擇一階迎風格式，這樣雖然降低了收斂速度，但保證了計算精度。設置計算步數為5000步。

3.2求解結果分析

分析完成后，在Starccm+中進行后處理，根據上述模型及邊界條件進行外流場計算，現將計算結果整理如下：

圖3是汽車在行駛過程中車身表面壓力分布云圖（其中色柱表示的是不同的壓力值，單位為Pa），從壓力分布云圖可以看出汽車前部進氣格柵處和前保險杠處壓力最大，約為556.57 Pa，前端滯止區域影響范圍較大，增大了阻力。尾渦區的壓力梯度變化較小，會減少尾渦區域的影響范圍，減少阻力，其中，在A柱附近、前輪胎外側以及后視鏡邊緣處出現較低負壓區，見圖3中橢圓標記所示。

圖4為車身對稱面上速度分布云圖，圖5和圖6分別表示車身對稱面的速度矢量圖和車身尾部的速度矢量圖。由于車體阻礙，氣流在汽車頭部形成滯止區，形成高壓區；車底部氣流基本流暢；車尾出現較明顯的渦。

圖7、圖8分別表示側視流線圖和車身尾部流線圖，流線基本貼合車身表面流動，在整車表面流動狀態較好，汽車尾部出現了漩渦。由圖9、圖10可以看出左、右后視鏡的流線情況，后視鏡的鏡殼處產生的流線沒有貼近車窗玻璃，鏡座處的流線有貼近車窗玻璃。

4 空氣阻力系數的計算

氣動阻力計算公式為：

氣動阻力系數的計算公式為：

式中：FW為 空氣阻力，N；ρ為空氣密度，Kg/m3； A為迎風面積，m2；v為相對速度，在無風時即為汽車的行駛速度，m/s。

經Star-ccm+模擬可得：空氣阻力FW=401.067N，迎風面積A=2.397m2，空氣阻力系數C=0.314 。

本次計算中對發動機艙進氣格柵進行了簡化，忽略了發動機艙內流場的阻力，同時，地板簡化為一個大平面，這樣仿真結果與實際值有一定誤差。通過對試驗車做風洞試驗，得到修正系數20%，可以預測該車的風阻系數約為0.377。

5　汽車動力性、經濟性指標

通過外流場分析所得的風阻系數、迎風面積、車重、輪胎直徑等相關參數，輸入cruise 軟件能夠對該車型的最大車速、各檔的加速度、油耗進行預測，模擬所得參數如圖11所示：

6 結論

（1）通過對該車型滿載整車狀態下的模型分析，得到阻力系數為0.314，但是CFD分析由于簡化發動機艙進氣格柵，忽略了發動機艙內流場的阻力，簡化了地板，通過對試驗車做風洞實驗得到修正系數20%，因此預測其風阻系數約為0.377。

（2）從流場各個特性顯示可以看出，整車總的流動性較好，有很好的貼體性能，整車表面流線光順，沒有大的曲率的流動曲線，除了尾渦區，沒有大的回流和流動分離現象，尾渦區的壓力梯度變化較小。

（3）在局部區域還是有一些增加阻力或降低性能的因素，例如前擋風玻璃的壓力分布。

（4）從左、右后視鏡的流線情況可以看出，后視鏡的鏡殼處產生的流線沒有貼近車窗玻璃，鏡座處的流線有貼近車窗玻璃。

（5）把所得參數輸入cruise軟件進行模擬，得到的該車型的最大車速、各檔的加速度、油耗等參數值，這些參數值達到前期設計確定的目標值。

［1］黃金陵.汽車車身設計［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［2］汽車工程手冊編寫組編.汽車工程手冊（設計篇）［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［3］傅立敏.汽車空氣動力學［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［4］李明.STAR-CCM+與流場計算［M］.北京:機械工業出版社，2011.

專家推薦

康寧：

用數值模擬方法對某車型進行外流場計算，通過車周圍的壓力分布云圖、速度分布云圖、速度矢量圖、流線圖等，對車周圍流動現象進行了研究，并對風阻系數進行了計算，最后還對車的最大車速、各檔加速度、油耗進行了預測，研究結果有一定實用意義。

The Application of External Flow Analysis in Automotive Design

TANG Shi-kun， MIAO Yu-li， WANG Qian-hao
（DFSK Automobile Co.Ltd， Chongqing， 402247， China）

Taking a self-owned brand vehicle of DFSK for example， the external flow analysis has been carried out， and its analysis process and the result was generally described that have resulted in the drag coefficient of the vehicle under fullLoad， the surface pressure distribution nephogram， streamline body distribution and so on. Using cruise software， it could be predicted by the drag coefficient and fragment windward area and other parameters about the maximum speed， each gear acceleration， fuel consumption， etc. That would be determined whether the vehicle was designed to meet expected design model by surface pressure distribution nephogram and streamline body distribution. The external flow analysis is applied in the related analysis and design of domestic independent brand automobile.

external flow analysis； foce coefficient； automobile design

U461.1

A

1005-2550（2015）02-0049-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.011

2014-09-22