基于CFD的某車型外流場分析及車身改進

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(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

截止到2017年6月，全球汽車保有量突破11.4億，并且還以每年6.2%速度繼續增長，而這些汽車中超過90%為燃油汽車。汽車所受的氣動阻力會導致汽車燃油的大量消耗，由此導致的燃油消耗量與車速的立方成正比例[1]。通用汽車Charlie Klein提出可通過減小整車重量、提升動力總成效率以及氣動力性能優化方法改良汽車油耗率[2]。汽車的空氣阻力系數、升力系數等成為衡量汽車的空氣動力特性是否優良的有效方法。

近年來，國內外研究人員已對車身外形結構氣動性能進行了各種研究與分析。2006年，寶馬汽車公司對車輪暴露在空氣中的賽車氣動特性進行了研究，探討了車輪阻流板對車輪壓力的影響，得出了阻流板能減小車輪的氣動阻力的結論[1]。2007年浙江大學的宋小文、胡樹根等人EQ1118GA圓頂廂式運輸車的導流罩進行了優化設計[2]。2010年，Chen-Guang Lai[3]等通過仿真與實驗相結合的方法，系統地探究了底盤后翹角與氣流出口之間的相互匹配對升阻力系數的影響，研究結果表明當冷卻氣流入口關閉時隨著底盤后翹角增加時，升力系數會不斷降低，且當打開冷卻氣流時，車輛的升力系數會隨著底盤后翹角的增加呈現先降低后增大的狀態。2011年，杜子學教授[4]做了關于車窗不同角度的汽車升阻力特性的外流場仿真，探究了不同角度參數對汽車氣動性能的影響。2014年，邵書鑫[5]對車尾部位的結構特征進行了流場分析研究。近年來，計算機數值仿真計算(CFD)方法已經逐漸普及到汽車空氣動力特性研究中[6]。

綜上所述，國內外大量研究人員針對多種車型的外流場進行了廣泛而深入的研究，對車身各個部位結構參數變化對車身外流場特性的影響也作了深入的探討，并獲得了較為理想的研究成果，對汽車的減阻研究提供了參考依據。本文主要系統性的分析闡述車身各部位對車身外流場的影響，并提出相關車身改進措施進行對比分析，以風阻系數作為評價指標，完成該車的局部改進，最終確定改進后該車的外形結構。

1 幾何模型

圖1 車身幾何模型

實際汽車表面有許多細小結構，他們對車身外流場的影響比較小，而這些地方在模型建立網格劃分時非常復雜，并且對計算機性能要求非常高，而且占用計算機內存較多，計算時間長，計算效率低下，故在建模過程中采用計算效率最高且結果影響不大的原則。刪掉了后視鏡、天線、門把手等小局部結構細節特征，用簡單的車輪模型代替真實的輪胎并且省略了懸架、制動等等復雜結構；并將某些局部結構進行合理的簡化，如進氣格柵用光滑的曲面填平，車身底部平整化。圖1為利用Creo軟件建立三維車身的幾何模型。輪胎在行駛過程中會發生外形變化，并且圓形輪胎與地面接觸時網格復雜、質量差。所以將計算域地面向上移動相應尺寸，設置10 mm高凸臺，此方法更加真實的反映了車輪承重時的變形。表1為模型主要的原始外形幾何尺寸。

表1 模型主要的原始外形幾何尺寸

2 數值模擬計算

假設該汽車模型長為L，寬為W，高為H。取整體計算域為長方體，根據車身外流場的氣體流動狀態和原理，長度方向計算域取入口距離車頭為3L，氣體出口距離車尾為6L；寬度方向兩側分別取3.5W；高度方向為5H。

本文采用四面體+六面體結構化+三棱柱的網格劃分方案。車身表面及其四周區域采用四面體，遠離汽車的計算域部分采用六面體，對車身表面進行流域邊界層網格劃分，并對車身附近區域內采用四面體網格進行局部加密。汽車計算域縱對稱面網格模型如圖2。

圖2 汽車計算域縱對稱面網格模型

本文采用標準k-ε湍流模型，殘差收斂精度均為10-7。邊界條件設置如下：速度入口v=30 m/s，壓力出口為大氣壓，地面采用移動壁面，速度與入口速度相同，計算域兩側面與頂面采用對稱面，車身采用固定壁面條件。

3 原始模型流場分析

通過數值模擬計算得到車身外流場分析結果，主要是車身表面三維流線圖，得到了車身表面主要氣流分離區域及三維外流場流動結構的特點。并且得到了汽車模型的風阻系數與升力系數。

圖3所示為車身外部氣體流動過程的三維速度流線分布圖。從圖中可看出，當氣體流向車頭后，下方氣體會繞過車頭下緣并在此處發生分離，由于受到前方氣流的作用，氣流短時間內會附著在車體上。這一擾動過程會對氣體流動過程產生較大影響，車底表面氣流邊界層很快由層流變化成湍流邊界層，且在較短的時間內快速增厚，使得氣體湍流邊界層幾乎充滿汽車底部空間。流向車身上部分的氣流，經發動機罩表面向上流動，由于在前風窗跟發動機罩之間存在結構形狀突變，并且在空氣的黏性作用下，氣流在汽車前端發動機罩上發生了局部分離，分離后的氣流為紊流。隨后氣流會繼續向車尾流動，流經汽車頂表面的氣流由于粘性作用會使氣流動均勻，基本上呈現層流流動，而氣流在流經大曲率的車頂后緣，在逆壓梯度的作用下，車頂后緣部位氣流產生局部分離現象。氣流會在汽車的尾部后方形成上下翻轉的兩個渦對，這兩個渦流會對汽車尾部流場的壓力損失產生較大的影響，使得尾部壓力損失過大，因此后方會形成負壓區，使得汽車車身前后的總壓差隨之增大，由此帶來汽車在行駛過程中阻力增大。此外尾部形成的渦流同樣會影響到汽車行駛穩定性及操縱穩定性，所以可通過改進后擾流板角度等附加裝置，來控制車身尾部渦流的形成區域并降低渦流形成的強度以降低渦流給車輛行駛帶來的負面影響，綜合提升汽車的氣動性能。

圖3 車身三維流線分布圖

經過計算得到該車身模型風阻系數為0.3312，升力系數為-0.0801。

4 車身外形局部結構氣動特性分析

(1)汽車底部上翹角對汽車氣動特性的影響

汽車底部上翹角θ及尾部擾流板傾角β示意圖分別如圖4、圖5。

圖4 汽車底部上翹角θ示意圖 圖5 汽車底尾部擾流板傾角β示意圖

不同底部上翹角θ對應的汽車尾部區域縱對稱面上速度云圖如圖6。

圖6 不同底部上翹角對稱面車身尾部速度云圖

從圖6可以看出，底部上翹角的改變對車身尾部下端的渦流的分布有顯著的影響，而對車身尾部上端的渦流影響甚微，車身尾部下端的漩渦形成及其形成強度主要受汽車底部上翹角影響。底部上翹角為0°時，車身尾部下端渦流中心離車身尾部相對較遠，渦流分布區域面積較小，并且周圍速度分布比較均勻，即車身尾部氣流速度降低梯度較小，氣流相對平緩；底部上翹角為5°時，車身尾部下端渦流中心渦流分布區域面積相對底部上翹角為0°時更小一點，且車身尾部速度降低梯度更小，氣流相對更平緩；當底部上翹角從5°增大到15°時，車身底部部分氣流會沿著車底部上翹角方向向上流動，車身尾部下端渦流分布區域面積增大，渦流中心向上移動，并且離車身尾部更近，車身尾部速度下降梯度大，車身尾部產生較大回流，壓力降低，從而車身前后壓差阻力增大，汽車氣動阻力增大。表2是各底部上翹角對應的阻力系數與升力系數。

表2各底部上翹角對應的阻力系數與升力系數

底部上翹角風阻系數Cd升力系數Cl0°0．3257-0．02655°0．3250-0．051810°0．3312-0．080915°0．3331-0．0931

(2)尾部擾流板傾角對汽車氣動特性的影響

尾部擾流板傾角β依次為-6°、-3°、0°、3°車身尾部區域縱對稱面速度云圖如圖7。

圖7 不同尾部擾流板傾角對稱面車身尾部速度云圖

從圖7可以看出，尾部擾流板傾角的改變對車身尾部下端的渦流影響甚微。當尾部擾流板傾角從-6°增大到0°時，車身尾部上端渦流中心離車身尾部相對較遠，渦流分布區域面積較小，并且周圍速度分布比較均勻，即車身尾部上端氣流速度梯度降低較小，氣流相對平緩；當尾部擾流板傾角繼續增大到3°時，增大了車頂后援結構的轉折曲率，車身上方的氣流向車身尾部下方移動，車身尾部上端形成渦流中心將距離車身尾部變近，使得車身尾部氣流壓力降低，從而車身前后壓差阻力增大，汽車氣動阻力增大。不同尾部擾流板傾角模擬后得到的模型計算結果見表3。

表3不同擾流板傾角對應的風阻系數與升力系數

尾部擾流板傾角風阻系數Cd升力系數Cl-6°0．3328-0．0780-3°0．3312-0．08090°0．3275-0．08113°0．3344-0．0857

(3)離地間隙對汽車氣動特性的影響

為了保證汽車行駛時的通過性，本文研究不同離地間隙下車身的氣動特性時限定最小離地間隙不低于170 mm。本文分別對離地間隙變化范圍設置為170～260 mm，以30 mm作為步長變化，分別對其對應的車身模型進行數值模擬分析。

圖8為不同離地間隙車身底部速度矢量圖。由圖可知，隨著離地間隙的增大，車身尾部速度越來越大，由伯努利原理知車身尾部壓力則越來越小，而車身前部速度變化不大，繼而壓力變化不大，因此車身前后壓差阻力將逐漸增大，即車身氣動阻力越來越大。因此風阻系數會越來越大。

圖8 不同離地間隙車身底部速度矢量圖

不同離地間隙對應的車身模型數值模擬計算后得到的模型風阻系數與升力系數見表4。

表4不同離地間隙對應的風阻系數與升力系數

離地間隙/mm風阻系數Cd升力系數Cl1700．2982-0．11782000．3075-0．08642300．3226-0．07542600．3312-0．0692

5 車身外形局部結構氣動造型改進

降低汽車的氣動阻力是汽車局部氣動造型改進的一個主要指標。通過上兩節的模擬與分析，本文針對此款車型，以汽車風阻系數為評價指標，車身局部氣動造型改進具體方案如下：1)將原始模型的車身底部上翹角從10°減小到5°；2)尾部擾流板傾角從-3°改為0°；3)離地間隙從260 mm減小到170 mm。

車身模型改進前后模型對稱面速度矢量圖與壓力云圖如圖9、圖10。

圖9 改進前

圖10 改進后

由圖9和圖10可以看出改進后模型的氣流在車頂后緣部分和車身底部后緣位置處的速度梯度變化更加平緩，有效地控制了氣流的局部分離現象，并且在車尾處，改進后模型氣流速度梯度變化很小，車身尾部流場相對更平緩穩定。從圖10中可以看到，改進后車身尾部壓力場分布比較均勻，壓力梯度相對改進前模型變化平緩，改進后車身尾部壓強大約為-68 Pa，而改進前車身尾部壓強有呈現梯度變化，最大負壓大約為-160 Pa。因此，車身模型改進后，極大地改善了車身尾部氣動特性。

數值模擬分析得到改進前后車身模型風阻系數與升力系數見表5。

表5改進前后車身模型的風阻系數與升力系數

模型風阻系數Cd升力系數Cl改進前0．3312-0．0809改進后0．3023-0．0636

從表5中可以看出改進后模型的風阻系數為0.3023，相對改進前模型，風阻系數減小了0.0289，減阻率達到8.7%。綜上所述，改進后車身模型相對改進前車身前后壓差明顯減小，能有效減小汽車行駛過程中受到的氣動阻力，改進方案減阻效果明顯。

6 結論

本文選取某一微型車為原型，進行汽車三維外流場氣動特性數值模擬研究，得到了車身表面主要氣流分離區域及三維外流場流動結構的特點，也明確了車身外形結構改進方向。

在此基礎上系統探討了不同車身底部上翹角、尾部擾流板傾角、離地間隙對微車氣動特性的影響規律。最后，結合已有分析給出車身局部造型改進方案，并確定改進車身模型。對改進后的車身模型進行數值模擬分析，將分析結果與原始模型作對比。結果表明：改進后車身模型的風阻系數為0.3023，相比改進前的0.3312減小了0.0289，減阻率為8.7%。改進后模型可以有效減小汽車風阻系數，降低車身氣動阻力，提升汽車的燃油經濟性。