基于內外流場仿真分析對整車性能研究和優化

宋瀚　王小碧　肖能　龔侃　汪沛偉

摘 要：采用STAR-CCM+軟件對汽車內外流場進行仿真分析，判斷影響整車性能的布置和造型設計要素。在整車開發設計階段，通過對機艙內外氣體的模擬仿真，得出造型及布置是否滿足外部流場壓力和艙內進風量設計要求，是否滿足整車動力性、經濟性等指標。

關鍵詞：STAR-CCM+；流場；造型；整車性能

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0046-04

Abstract： Simulation analysis of the full flow field of a passenger vehicle by using STAR-CCM+. We can determine the layout and design elements that effect vehicle performance Whether to meet the vehicle power and economic indicators should be estimated according to simulation results. Those results can provide the basis of the further optimization of engine bay arrangement and styling in the design.

Key Words： STAR-CCM+； flow field； Styling； vehicle performance

1 引言

在整車開發設計階段，外部流場與整車外觀造型有著密切關系，機艙內部流場影響機艙內各部件的性能狀態。由于氣流的不確定性和整車自身系統模塊化，整車內外環境都易存在“氣體回流”和“局部漩渦”現象，影響發動機、冷卻及空調系統等性能指標達成。因此如何優化整車內外流場，改善整車性能，成為整車前期開發階段的重要課題。

整車前期設計階段，無實車驗證內外流場形態，且實驗周期長，代價大，通過流體計算軟件STAR-CCM+軟件，分析整車外流場和機艙流場，為外部造型優化和機艙布置提供理論依據，通過優化整車設計和布置，改善機艙氣流量，盡量避免氣流泄漏、回流現象；通過優化造型，降低整車外部流場風阻效應，改善整車性能。

2 計算模型

2.1 基本理論

將氣體視作黏性不可壓縮，其控制方程為雷諾平均N-S方程，三維流場計算通過求解連續性方程、動量方程和湍流方程，得到流體在空間內的壓力、速度、溫度等信息[1]。

2.2 網格劃分

仿真模型包括車身外表面、前后車輪、發動機艙、進氣格柵、冷卻模塊、發動機、變速箱、空氣濾清器、蓄電池、底盤系統、排氣系統、轉向系統等機艙及下車體大型布置零部件[2]。

應用STAR-CCM+對數模進行包面處理，對進氣格柵、后視鏡、前端冷卻模塊等對氣流影響比較大的部件進行細化，形成封閉區域，共生成體網格約1894萬。

2.3 設置邊界及建立冷卻系統模型

風扇轉速采用多工況下的風扇額定轉速。在計算中，冷凝器和散熱器均采用了多孔介質的計算模型，在多孔介質模型中以均勻化的壓力變化來代替平行流式換熱器等復雜結構，從而簡化模型，空氣流速的變化由試驗得到的曲線給定[3]。

計算汽車行駛時的流場分布，對于整車流場區域的進風口設定為速度入口邊界，分別計算來流速度為60km/h、160km/h兩種工況，出風口為壓力出口邊界，車身表面和地面車頭后部均設為無滑移壁面，地面車頭前部和其它流場計算域設為滑移壁面。散熱器和冷凝器等冷卻元件采用多孔介質模型來模擬氣流。

3 流場分析及優化

3.1 外流場分析及優化

3.1.1 整車前部優化

由車身整體壓力圖可知，車身外部突出物、前部區域、前風擋玻璃下邊緣及下車體迎風面的壓力分布較大，增大了空氣阻力。

如圖2所示，機罩后邊緣過低，空氣壓力有所增強，導致圖3區域處，機罩與車窗下邊緣出現漩渦區域，增加了風阻壓力，在不影響造型邊界的前提下，機罩邊緣局部優化抬高，雨刮內收，避免高速氣流對雨刮的沖擊。

3.1.2 整車底部優化

如圖4所示，從底部和尾部流線看，高速氣流沖擊后懸，并在油箱前方形成渦流。如圖5-1所示，可增加適當高度的導流板平順氣流。如圖5-2所示，下車體底部高度差過大，產生渦流區域，將后消聲器橫置，使得下車體底部布局平順，減少底部渦流產生，使氣流平順。

3.1.3 整車尾部優化

如圖9所示，優化之后，C柱區域與擾流板區域背壓降低明顯。

3.1.4 造型及布置優化效果

在優化之后，風阻系數降低3%，進而進一步降低風阻值，降低油耗值，風阻系數如表2所示：

水平截面Y=0的速度矢量如圖10所示，從進氣格柵進入的冷卻空氣一部分繞過冷卻系統上下兩端進入發動機艙，并在散熱器上下端和后部形成一定的“渦流”，形成氣流滯留[2]。

從仿真圖來判斷冷卻系統上下端存在一定的漏風現象。這些氣體“泄漏”及“渦流”影響了散熱器和冷凝器的散熱功能。不利于艙內熱空氣的順利排出，惡化散熱效率，導致整車性能下降。

如圖13和表3所示，通過整車內流場優化仿真，修改導流板結構，冷凝器、散熱系統的進風量都明顯提高[5]，進一步提高了散熱器、中冷器、冷凝器的性能，優化后整車性能與同級別車輛相比，處于優勢。

4 結論

本文通過更改機艙和下車體部件、修改整車外部造型，優化整車內外流場，達到了一定的效果，結論如下：

（1）基于流場仿真分析結果，分析不同的造型和布置方案，可提高整車性能，加快開發速度，減少試驗次數與費用[6]。

（2）整車設計階段，通過內外流場仿真分析技術，發現機艙內部氣體存在泄漏和回流現象，外部造型局部背壓過大，存在渦流，影響整車性能達成。

（3）在實際開發中，為設計人員進一步優化造型，改善機艙布置提供了理論依據，整車內外流場都得到了明顯的改善。

參考文獻：

[1]陳皓.某款乘用車外流場及發動機艙內流動分析[C].CDAJ-China .中國用戶論文集 .2010.

[2]劉芳.發動機艙流場仿真分析[R]. 第七屆中國CAE工程分析技術年會.2012.

[3]戴澎凱.基于CFD的轎車發動機艙前端流場優化[C].機械研究與應用.2012.

[4]劉希東.某SUV車動力艙內流動分析[C].CDAJ-China .中國用戶論文集 .2009.

[5]詹佳.基于機艙流場仿真分析的空調降溫性能優化[R]. CDAJ年會論文. 2011.

[6]姚仲鵬.車輛冷卻傳熱[M]北京.北京理工大學 2001.