基于CFD的汽車外流場數值模擬及優化

錢 娟，王東方，繆小東，蘇國營

（南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816）

0 引言

汽車空氣動力特性是指在運動過程中與空氣的作用力對汽車燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性等性能有重要影響[1]。汽車空氣動力學的研究通常是對汽車性能、汽車流場與壓強、冷卻系統等內容進行，可以降低氣動阻力系數從而改善穩定性，可以減小空氣阻力來提高燃油經濟性，可以通過改善內部空氣流通散熱提高乘坐舒適性[2]。計算流體力學CFD（Computational fluid dynamics）廣泛應用于各種數值計算，其基本思想是用一個離散的變量值的集合來代替原先在時間、空間域上連續的物理量場，并建立起能夠代表變量關系的方程組，最后求解方程組得到變量近似解[3]數值。計算CFD技術在模擬流場時的優勢首先體現在利用CFD可以充分模擬流動結構，為之后開發者有效的發現問題和改進方案；其次與試驗相比縮短設計周期、節省試驗開銷。

1 數值模擬的基本控制方程

汽車空氣流動的特性實質是流體流動、換熱的問題，任何流體流動問題都要遵守基本物理守恒定律，本文可以用Navier-Stokes方程來描述，在笛卡爾坐標中x、y、z三分量上的動量方程：

式中：P—流體微元體所受壓力；Fx、Fy、Fz—微元體中流體受到x、y、z三個方向上的體力。

標準k-ε模型在流動數值計算中應用最為廣泛[4]。湍流動能k和湍流耗散ε的偏微分方程表達式分別為：

式中：ul為層流空氣動力黏度系數；ut為湍流黏性系數；Cμ為湍流常數，C1z、C2z為經驗常數，一般分別取為：0.09，1.44和1.92。

2 建立外流場數值模擬計算模型

2.1 建立幾何模型

本文按照某車型類比設計建模，采用1:1的比例選用整車的特征參數，用CATIA建立了某客車模型。模型的基本參數：軸距2907mm，輪距1650mm，最小離地間隙133mm，長1860mm，寬1760mm，高1500mm。建模過程中，保留關鍵特性基礎上對模型進行適當簡化。簡化輪腔、車輪等的細節形狀，將車身簡化成封閉殼體，一般認為這樣的簡化不會對汽車外流場的數值模擬有很大影響。通過CATIA建模，最終生成的車身模型如圖1所示。

圖1 汽車車身模型

2.2 劃分模型網格

根據經驗，為了模擬汽車行駛狀態，模擬使用長方形的計算域，取法為：設定汽車尺寸長×寬×高（L×W×H）,計算域尺寸應為10L×4W×5H（46250mm×7416mm×6860mm）,計算域入口距車頭距離為3L，出口處離車尾長度為6L，寬度左右兩側距離車身距離分別為2W，高度為5H。汽車底部距離地面間隙133mm。本文在ANSYS前處理模塊ICEM軟件中采用八叉樹（Octree）方法對計算域進行網格劃分，圖2為汽車的網格模型。

圖2 汽車網格模型

2.3 設置邊界條件

汽車外流場的邊界條件主要包括入口、出口的邊界條件、地面和固定壁面的邊界條件。入口邊界設置速度入口（velocity-inlet），速度大小為30m/s；出口設置壓力出口（pressure-outlet）；地面邊界設置無滑移條件（noslip）；壁面邊界條件設置固定無滑移條件（no slip wall）。

本文選擇k-ε湍流模型，由經驗公式可得：湍流動能k=0.03375，湍流耗散率ε=0.00187。

3 汽車外流場模擬結果及分析

通過FLUENT后處理的模塊，可以對汽車進行外流場進行可視化分析。

從圖3和圖4可看出，汽車車頭前部、擋風玻璃底部、輪胎迎風處處于正壓區。這是因為當遠方來流遇到車頭時受阻此時在汽車前部形成正壓區。氣流經過車頭流向兩個方向，一部分經過前風窗、車身上部流向車尾，在經過風窗時因為擋風玻璃的阻力使得氣流減弱，形成正壓區，在到達車身最高點時，由于較大的氣流速度需要急速轉折因而在此形成吸力峰（負壓區），同樣在氣流到達車尾時，由于轉折的氣流形成大的負氣壓區；另一部分的氣流從車身底部中流向車尾，當來流遇到輪胎時，由于輪胎效應形成負壓區，兩股氣流在汽車后方并未停止，而是形成了渦流，渦流也是形成氣動阻力的影響因素。同樣我們可以看到，汽車車身前部與車身后部相比，前部主要集中正壓，后部大部分是負壓，從而形成較大的壓力差，汽車行駛時所受氣動阻力大部分來自于壓力差，所以消除前后壓力差是關鍵。

圖5為汽車速度矢量圖，可看到，拐角相對較大的地方，如車頭底部、擋風玻璃底部、車身頂部邊緣及汽車尾部這些地方的流速相對較大。與圖3對比可知：在流速大的地方的壓力梯度較大，在汽車前部和尾部區域氣流速度較低。

圖6是車尾氣流速度矢量圖，汽車尾部結構是影響渦阻的主要影響力。從圖中可以看出，尾部負壓值較大，車身上部分的氣流在邊緣分離x行成一順時針漩渦，車身底部的氣流向上形成一逆時針漩渦，漩渦緊貼于車身尾部。是輕型客車尾部常常附著較多灰塵與泥水的原因[6,7]。

圖3 優化前車身壓力分布圖

圖4 對稱面壓力分布云圖

圖5 優化前車身速度矢量圖

圖6 車尾氣流速度矢量圖

本文主要通過阻力系數CD評價氣動特性。其中阻力值是通過fluent后處理輸出，如圖7所示。從圖中可以看到，氣動阻力大小為826N，氣動阻力系數為0.526。

圖7 優化前氣動力及其系數

通過對模擬結果的分析，明確了汽車車身前后壓差以及汽車尾部的漩渦及長距離存在的渦系是形成氣動阻力的主要因素，氣流容易在拐角較大處發生分離，為減小氣動阻力系數，可以對汽車車身造型進行局部優化。

4 基于空氣動力學的汽車造型優化

4.1 優化方案

1）汽車車頭高度降低，并設前翹腳為15o同時對前翹腳與車身前臉進行圓弧的過度處理；2）汽車底部上翹角度改變為4o；3）增加后擾流板。

最終生成的優化模型如圖8所示。

圖8 優化后車身模型

4.2 優化結果

圖9是優化后的車身壓力分布圖，從圖中可看出，車頭部分仍然呈現正壓區，但通過優化，汽車前臉部分正壓區最大值減小，且有利于氣流的通過，氣流變化平緩，減小阻滯區。

圖10是優化后的對稱面壓力云圖，可以看出，優化后的最大正壓值從原先的638MPa減小到590Pa，且原車頂后部的負壓區減小。

圖11是優化后的車身速度矢量圖，從圖中可看出，通過優化，在發動機蓋與擋風玻璃交界處由于傾斜度不大，故氣流最大值減小，且從汽車底部經過的氣流速度突變減小，從而使得汽車氣動升力可以得到減小。

圖12是優化后車尾處速度矢量圖。從圖中可看出：在車頂處，氣流變化平緩，降低了汽車尾流區域能量耗散；在車身尾部，氣流得到梳理，形成較弱的漩渦且分散向后方擴散。相對來說，優化后模型表現出良好氣動特性[8]。

圖9 優化后車身壓力分布圖

圖10 優化后對稱面壓力云圖

圖11 優化后車身速度矢量圖

圖12 優化后車尾氣流速度矢量圖

圖13是優化后的氣動力及其系數，從圖中可以看出，優化后氣動阻力大小為498.34N，阻力系數CD值為0.312，與原有模型氣動阻力系數CD值0.526相比，氣動阻力減小了40.68%。

圖13 優化后氣動力及其系數

5 結論

本文結合優化方案對汽車外流場進行模擬，不僅驗證了局部改型的可行性與正確性，同時也為車型進一步優化減阻打下基礎。通過對車身壓力分布圖、對稱面壓力云圖、車身速度矢量以及車尾速度矢量圖等的對比分析表明通過優化，模型表現出良好的氣動性能，氣動阻力系數均得到了一定程度的減小，故該模型是可取的。

[1] 印帥.流動控制在汽車空氣動力學中的應用[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[2] 傅立敏.汽車空氣動力學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3] Kobayashi.T,K.Kitoh.A Review of CFD Methods and Their Application to Automobile Aerodynamics[J].SAE Paper,1992.

[4] 肖輝.高速汽車外場氣動噪聲分析與控制[D]長沙:湖南大學,2011.

[5] 賈志浩.基于不同湍流模型的汽車外場數值模型[D].鄭州：鄭州大學,2013

[6] 許建民,易際明,趙軍,等.流線型轎車外流場的數值模擬[J].陜西科技大學學報,2011,29(5):61-64.

[7] ShahyarPirzadehZ.Unstructured grid generation for complex 3D high-lift configurations[C].SAE Paper,1999.

[8] 黃永輝.基于CFD的汽車外流場數值模擬及車身造型優化[D].長沙:湖南大學,2011.