CFD在某輕卡車(chē)身外流場(chǎng)中的應(yīng)用

張 鑫

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD在某輕卡車(chē)身外流場(chǎng)中的應(yīng)用

張 鑫

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件以電子計(jì)算機(jī)為工具在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)上得到廣泛應(yīng)用，使用離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，從而預(yù)測(cè)和改進(jìn)汽車(chē)的氣動(dòng)性能，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。利用CATIA軟件對(duì)某輕卡車(chē)身（含駕駛室、貨廂）進(jìn)行三維建模，并利用ANSYS FLUENT模塊對(duì)其外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)所得數(shù)據(jù)分析車(chē)身外流場(chǎng)實(shí)際情況，為優(yōu)化汽車(chē)性能提供理論依據(jù)。

CFD；車(chē)身；外流場(chǎng)；數(shù)值模擬

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-146-03

引言

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)（Automobile aerodynamics）空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，是研究汽車(chē)與周?chē)諝庠谧鱿鄬?duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩者之間相互作用力的關(guān)系及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，還是汽車(chē)設(shè)計(jì)當(dāng)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，影響著車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性。從整車(chē)性能層面而言，氣動(dòng)阻力在影響車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)影響燃油消耗率。

汽車(chē)行進(jìn)時(shí)所受阻力大致可分為機(jī)械阻力和空氣阻力兩部分。隨著車(chē)速的提高，空氣阻力所占比例迅速提高。汽車(chē)空氣阻力由壓力阻力和摩擦阻力構(gòu)成，壓力阻力又分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力，壓力阻力對(duì)空氣阻力影響最大，約占91%。

1 車(chē)身建模及網(wǎng)格劃分

采用CATIA軟件來(lái)建立駕駛室、導(dǎo)流罩三維模型，貨廂采用簡(jiǎn)易模型。為了提高計(jì)算效率，對(duì)模型實(shí)體表面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，雨刮器、門(mén)把手、后視鏡等部件忽略，其他不影響流場(chǎng)或影響較小的的部位做平整處理。

模型參考實(shí)際尺寸，外形長(zhǎng)度9835mm，寬度2550mm，高度3900mm，貨廂寬度2400mm，高度2691mm，幾何模型如圖1。

圖1 車(chē)身三維模型

將三維模型轉(zhuǎn)換為STP格式導(dǎo)入ANSYS，利用集成在Workbench平臺(tái)中的ICEM CFD生成表面網(wǎng)格，使用自動(dòng)生成與人工干預(yù)相結(jié)合的方式生成計(jì)算網(wǎng)格，為簡(jiǎn)化計(jì)算取對(duì)稱(chēng)面網(wǎng)格如圖2。

圖2 對(duì)稱(chēng)面流域網(wǎng)格示意

采用四面體網(wǎng)格單元對(duì)模型劃分為232553個(gè)單元，網(wǎng)格質(zhì)量如下：

2 邊界條件確定與數(shù)值仿真

在靜止空氣中建立絕對(duì)坐標(biāo)系，汽車(chē)在靜止空氣中以勻速V做直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在車(chē)身周?chē)鸬牧黧w運(yùn)動(dòng)是不定常的，若讓汽車(chē)靜止，由空氣以勻速V正向流過(guò)汽車(chē)，則流線與跡線重合，成為定常流，通過(guò)轉(zhuǎn)化為定常流簡(jiǎn)化問(wèn)題，可以大大減少計(jì)算時(shí)間。

在計(jì)算車(chē)身外流場(chǎng)時(shí)需要給定邊界條件，包括進(jìn)口邊界、出口邊界、壁面邊界等。本例進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口，v=22.223m/s，即80km/h，出口邊界采用壓力出口；壁面邊界為靜止壁面。

流體為空氣，空氣在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，常溫時(shí)的密度ρ=1.169kg/m3，動(dòng)力粘度系數(shù)μ=1.8448×10-5kg/ms。為對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速（即408km/h）時(shí)，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體，故結(jié)合實(shí)際情況認(rèn)為汽車(chē)車(chē)身外流場(chǎng)是等溫、定常、不可壓的粘性湍流流動(dòng)，控制方程組采用雷諾平均N-S法（RANS），選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，計(jì)算殘差為1e-5。

3 外流場(chǎng)仿真的結(jié)果與分析

迭代300步后發(fā)現(xiàn)計(jì)算已收斂，圖3為殘差變化情況。通過(guò)后處理可以得到任意截面的壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖。

圖3

圖4 、圖5、圖6、圖7為對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖、渦流動(dòng)能云圖。

圖4 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)壓力云圖

圖5 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身 外流場(chǎng)速度云圖

圖6 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)速度矢量圖

圖7 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流 場(chǎng)速渦流動(dòng)能云圖

可以看出，由于來(lái)流與駕駛室頭部相遇，氣流受到阻滯，使氣流速度大大降低，氣流產(chǎn)生分離形成兩股對(duì)車(chē)身的繞流。在分離點(diǎn)周?chē)瑝毫Ω哂谥車(chē)軘_動(dòng)的區(qū)域，且隨著流速增大呈減小趨勢(shì)，形成一個(gè)正高壓區(qū)。由于車(chē)身模型為輕卡，且在駕駛室擋風(fēng)窗部位不存在明顯的氣流的分離與重新附著，故不存在明顯的分離氣泡。

在導(dǎo)流罩頂部，由于流速較高，形成低壓區(qū)，改變導(dǎo)流罩外形能很大程度的改變壓力的分布，而貨廂稍高于導(dǎo)流罩，故重新產(chǎn)生了氣流的分離，出現(xiàn)高壓區(qū)。

在貨廂尾部產(chǎn)生氣體分離，從而出現(xiàn)尾渦流，形成“真空區(qū)”，此區(qū)域是一個(gè)較大的負(fù)壓區(qū)。

在車(chē)身附近存在兩個(gè)大的渦流區(qū)：駕駛室前部和貨廂后部。前部渦流區(qū)的產(chǎn)生是因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域存在明顯的氣流分離現(xiàn)象，后部渦流區(qū)的產(chǎn)生是因?yàn)樵谄?chē)底部和汽車(chē)頂部的兩股繞流重新匯合造成的。

4 優(yōu)化

由上述分析可知，導(dǎo)流罩頂部低于貨廂會(huì)造成新的氣流分離，故可考慮改進(jìn)導(dǎo)流罩來(lái)減小空氣阻力系數(shù)，即在保證基本外形不變的情況下增高導(dǎo)流罩高度。

除導(dǎo)流罩外形外，其他已知條件均不改變。圖8、圖9、圖10、圖11為改進(jìn)后對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖、渦流動(dòng)能云圖。

圖8 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)壓力云圖

圖9 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身 外流場(chǎng)速度云圖

圖10 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流場(chǎng)速度矢量圖

圖11 對(duì)稱(chēng)截面的車(chē)身外流 場(chǎng)速渦流動(dòng)能云圖

由上圖可知，駕駛室前方最大壓力減小，導(dǎo)流罩上部氣流分離趨勢(shì)減小，貨廂后半部分的分離氣泡減小，故氣動(dòng)阻力存在減小的趨勢(shì)。

表1

由上述輸出數(shù)據(jù)可知，加高導(dǎo)流罩后空氣阻力系數(shù)比原導(dǎo)流罩減小10.74%，故優(yōu)化后車(chē)身的氣動(dòng)性能得到改善，輕卡燃油經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化。

5 結(jié)論

本例通過(guò)CFD軟件，模擬了某輕卡車(chē)身外部流場(chǎng)，可以得出以下結(jié)論：

（1）車(chē)身外部造型對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能有很大影響，進(jìn)而影響整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。

（2）使用CFD方法所得的車(chē)身外流場(chǎng)符合客觀規(guī)律，在產(chǎn)品前期開(kāi)發(fā)階段，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)費(fèi)用，其結(jié)果具有重要參考價(jià)值。

（3）依靠CFD方法優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以縮減實(shí)驗(yàn)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)支出，大大加快產(chǎn)品更新升級(jí)。

[1] 孟生才,陳倩云.基于CFD的汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(4).

[2] 李萍鋒,張翠平,李紅淵,武玉維.FLUENT在某轎車(chē)外流場(chǎng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2009,9.

[3] 唐家鵬.ANSYS FLUENT 15.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民教育出版社,2016.

[4] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

The application of CFD in a light card body drain

Zhang Xin
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

CFD (Computational Fluid Dynamics) by means of the electronic computer is widely used in vehicle dynamics,using the mathematical method of discretization, to carry out the problems in the numerical experiment, computer simulation and analysis, to predict and improve the aerodynamic performance of vehicle, and to play a guidance role of vehicle product design. Using CATIA to do 3d modeling of a certain light truck body (including the cabin and packing case ), and using ANSYS FLUENT to move on to the simulation of external flow field, through the data from the cab to analyze actual situation of external flow field, as to provide theoretical basis for optimal performance.

CFD; light truck body; external flow field; numerical simulation

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-146-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.049

張?chǎng)危?993-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司輕型車(chē)研究所，主要從事汽車(chē)底盤(pán)方面的設(shè)計(jì)工作。