基于STAR-CCM+的皮卡車外流場研究

李 旭,張 震,崔行振

（山東科技大學 交通學院,山東 青島 266590）

基于STAR-CCM+的皮卡車外流場研究

李 旭,張 震,崔行振

（山東科技大學 交通學院,山東 青島 266590）

基于皮卡車模型，本文采用六面體與三棱柱混合的網格策略，應用兩種網格密度進行皮卡車外流場仿真計算，并與風洞實驗數據進行比較研究。結果表明：該網格策略的計算精度得到有效改善，而且能夠更好的模擬車尾處的渦系和捕捉邊界層處的分離現象；在合理的壁面函數范圍內，適當減小網格尺寸，可以有效改善計算精度。

空氣動力學；皮卡車；網格策略；CFD

0 引言

汽車外流場數值網格生成是為了適應數值求解汽車周圍流場區域上的偏微分方程而開展的[1]。目前，很多的汽車外流場仿真計算都采用了四面體網格，在四面體網格生成算法中，比較有代表性的有Delaunay方法和前沿推進方法[2]。與四面體網格相比，六面體網格克服了傳統網格的諸多缺點，使梯度的計算和流動狀況預測更準確[3]。為了探討網格策略對皮卡車外流場仿真精度的影響，應用兩種網格策略對皮卡車外流場進行仿真計算并與實驗數據進行了綜合比較。

1 數值模擬計算

1.1 計算域的選擇

應用CATIA完成皮卡車半車模型，為了與實驗結果進行比較，首先按照1:12的比例建立模型，該模型的長、寬、高分別為432mm、152mm、148.8mm。為了提高計算精度，忽略掉后視鏡、門把手等表面附件，簡化皮卡車底部結構。設置皮卡車外流場計算域為[4]：入口距車前端3倍車長，出口距車后端7倍車長，總高度為5倍車高，總寬度為7倍車寬。

由于SST k-ω模型可以充分發揮k-ε二模型對自由流和k-ω模型對壁面受限流動的處理優勢[5]。因此，本文采用SST k-ω模型進行仿真。設置邊界條件：入口為速度入口（V=30m/s），出口為自由條件，對稱面為對稱邊界，其余壁面為無滑移壁面邊界。

1.2 六面體與三棱柱的混合策略

與四面體網格相比，同樣尺寸的六面體網格具有網格數量少、質量高、收斂快、計算時間少的優點。如何能夠充分發揮六面體網格的優勢，就可以達到非常理想的計算結果。因此，采取如下網格策略：在車身表面應用三棱柱，外側應用六面體單元。近壁面網格尺寸分別設置為3 mm和1 mm，得到的網格數量分別為486萬和551萬。

2 數值模擬結果分析

2.1 仿真計算對比

通過STAR-CCM+仿真計算可得，網格尺寸分別為3 mm和1 mm的網格模型的Cd分別為0.478和0.445。從Cd的結果上看，當該混合網格策略的近壁面網格尺寸從3mm變為1mm時，與風洞數據0.450對比可見：仿真誤差分別為6.2%和1.1%。

2.2 表面壓力分布及壓力梯度變化

圖1為網格尺寸是1mm的車身表面壓強圖，由圖可見，其車頭前部和前風窗處存在較大的正壓區，同時發動機罩上和頂棚處存在較大的負壓區。

由圖1的壓力梯度分布可以清晰的看出皮卡車后的尾流有一部分在后車廂內發展，然后進入車身后部與尾部氣流匯合，形成了與普通轎車不一樣的壓力分布。同時，可以看出在皮卡車的后車廂內存在一個較大尺度的渦流，該渦流得到了充分的發展，其直徑相當的大，這一特點與轎車外流場非常的不同。渦流的存在必然要消耗能量，在宏觀上表現為阻力系數（Cd）升高。

2.3 車身尾部分離區速度矢量分析

由圖1的壓力分布及剖面壓力梯度圖分析，這里只給出該策略加密網格的尾部分離區速度矢量分布圖。前人的研究表明，皮卡車尾部的渦系是由車頂部氣流的向下運動以及后車廂內的渦流運動共同形成的。由圖2可見，在網格加密以后，清晰的模擬出了車廂內和車尾處的渦系，而且捕捉到了邊界層分離現象，同時捕捉到了尾部典型的一大一小的反向尾，其結果如圖2。通過與皮卡車模型的風洞PIV試驗結果對比，驗證了該網格策略的準確性。

3 結束語

基于皮卡車模型，應用六面體與三棱柱混合策略，應用兩種網格密度對皮卡車外流場進行數值模擬，得出以下結論：六面體與三棱柱混合策略得到了較為理想的計算結果。當網格加密以后，更加清晰的模擬出了車廂內和車尾處的渦系，而且捕捉到了邊界層分離現象；選取合適的近壁面網格尺寸可以有效提高計算精度。

[1]容江磊.汽車氣動力特性的分析與優化研究[D].湖南大學,2011：11-13.

[2]Kofanov A V,Liseikin V D.Grid construction for discretely defined configurations[J].Computational Mathematics &Mathematical Physics,2013,53(06):759-765.

[3]Lamarque J F,Shindell D T,Josse B,et al.The Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP):overview and description of models, simulations and climate diagnostics[J].Geoscientific Model Development,2013,6(01):179-206.

[4]李廣輝,康寧,李海峰.離散格式及半隱式算法對直背式轎車外流場數值計算精度影響的研究[J].車輛與動力技術,2006(01):32-36.

[5]李映坤,韓珺禮,陳雄等.基于SST湍流模型的模擬SRM內流場數值仿真[J].固體火箭技術,2014(05):186-203.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.170

李旭(1970-),女,山東淄博人,副教授,研究方向：汽車車身智能化和車身裝配質量控制。