基于計(jì)算流體力學(xué)的汽車車身造型外流場(chǎng)分析

黃森仁，王宇，刁碩，崔世海，劉學(xué)龍

基于計(jì)算流體力學(xué)的汽車車身造型外流場(chǎng)分析

黃森仁1，王宇2，刁碩2，崔世海2，劉學(xué)龍1

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在汽車車身造型設(shè)計(jì)階段具有重要作用。針對(duì)某SUV車型的中后期造型階段的CAS面模型，經(jīng)過(guò)幾何清理和模型網(wǎng)格劃分，構(gòu)建了整車CFD計(jì)算模型。采用CFD軟件STAR CCM++對(duì)整車的氣動(dòng)阻力進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示該車的空氣阻力系數(shù)為0.325，在對(duì)該車型整車汽車流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上指出了影響汽動(dòng)阻力的車身關(guān)鍵部件，為后續(xù)汽車外形的進(jìn)一步優(yōu)化指出了方向。

計(jì)算流體力學(xué)；汽車外流場(chǎng)分析；汽車空氣阻力系數(shù)；氣動(dòng)減阻

前言

汽車空氣動(dòng)力學(xué)這門學(xué)科主要關(guān)注氣流經(jīng)過(guò)汽車時(shí)的流動(dòng)規(guī)律和氣流經(jīng)過(guò)汽車時(shí)與汽車之間的相互作用[1]。汽車良好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性都會(huì)因?yàn)槠嚨目諝鈩?dòng)力學(xué)指標(biāo)的好壞而受到影響。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的快速發(fā)展，在汽車空氣動(dòng)力學(xué)分析和氣動(dòng)造型的前期規(guī)劃中CFD軟件都起著重要作用[2]。國(guó)內(nèi)汽車氣動(dòng)外形越來(lái)越關(guān)注如何盡可能的降低氣體流動(dòng)阻力，現(xiàn)在我們通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)還有CFD仿真模擬可以很方便地解決這個(gè)問(wèn)題[3][4][5]。

本文主要針對(duì)某一SUV車型中后期造型階段的compu -ter aided styling（CAS）模型，通過(guò)搭建模型進(jìn)行CFD分析，模擬計(jì)算了整車的空氣阻力系數(shù)，同時(shí)對(duì)影響整車氣動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析，為后續(xù)的汽車外形優(yōu)化指出方向。

1 整車CAS面模型幾何清理

一般而言，SUV車型的CAS數(shù)模會(huì)有很多間隙，在進(jìn)行進(jìn)一步建模前需要首先進(jìn)行幾何清理，幾何清理質(zhì)量的好壞對(duì)模型計(jì)算結(jié)果具有重要的意義[6]。第一步采用澳汰爾公司的Hypermesh軟件對(duì)汽車的CAS數(shù)模進(jìn)行幾何清理，簡(jiǎn)化車身上對(duì)仿真計(jì)算不重要的部分細(xì)節(jié)部件，例如刪除雨刷等部件，因?yàn)槠嘋AS數(shù)模，中還存在很多縫隙，所以我們還需要使用軟件中的補(bǔ)面命令將其修補(bǔ)過(guò)來(lái)。在對(duì)汽車的氣動(dòng)外形進(jìn)行仿真的過(guò)程中，為使模型簡(jiǎn)單化可以不考慮汽車的底盤結(jié)構(gòu)部分，具體做法就是將底盤結(jié)構(gòu)部分去除，然后通過(guò)搭建底部平面完成整個(gè)汽車底部的封閉；幾何清理時(shí)還要考慮汽車前部格柵的開(kāi)口，在處理格柵部時(shí)通過(guò)hypermesh補(bǔ)面命令將所有的開(kāi)口進(jìn)行封閉。經(jīng)過(guò)上述幾何清理，得到圖1所示的SUV車型的CAS面模型，其車的長(zhǎng)度為4625mm，車的寬度為1105mm，車的高度為1655mm。

圖1 經(jīng)幾何清理后的某SUV車型的CAS模型

2 CFD計(jì)算模型搭建

在汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬過(guò)程中，除了汽車表面的幾何質(zhì)量對(duì)網(wǎng)格生成質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用外，如何正確的處理車輪與地面接觸區(qū)間的位置對(duì)CFD網(wǎng)格的生成質(zhì)量也有很重要的影響[6]。在本研究中，為了改善輪胎與地面接觸區(qū)間的網(wǎng)格質(zhì)量，我們采用了一種簡(jiǎn)化方法：即用一塊平板來(lái)替代該接觸區(qū)間。

將經(jīng)過(guò)清理的幾何模型導(dǎo)入到STAR-CCM+中，對(duì)模型進(jìn)行包面（Surface Wrapper）處理，包面可以自動(dòng)地在質(zhì)量較差的表面上獲得一個(gè)拓?fù)浞忾]的空間表面，為了得到良好質(zhì)量的網(wǎng)格模型，我們還需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行表面的重構(gòu)（Surface Remesher），因?yàn)槎鄶?shù)情況下包過(guò)面的模型的網(wǎng)格質(zhì)量都不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，是一定要處理之后方可進(jìn)行后續(xù)的使用的，處理后的汽車的面網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 某SUV車型的面網(wǎng)格示意圖

得到了新生成的面網(wǎng)格以后，可以將其作為體單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)。STAR-CCM+軟件具有豐富的體網(wǎng)格劃分功能，本次研究主要采用Trimmer網(wǎng)格方法對(duì)整車劃分了六面體網(wǎng)格，針對(duì)汽車表面和非滑移地面等邊界層采用了棱柱層網(wǎng)格。進(jìn)一步設(shè)定了3個(gè)整車體網(wǎng)格加密區(qū)、汽車底部以及尾部共5個(gè)體網(wǎng)格加密區(qū)，這樣可以使得模擬計(jì)算的精準(zhǔn)度得以保證。

在實(shí)際模擬計(jì)算中，對(duì)稱方法的使用可以大大減少實(shí)體單元的計(jì)算個(gè)數(shù)，同時(shí)令工作效率大大提升。因?yàn)楸狙芯恐衅嚹Ｐ褪亲笥覍?duì)稱的，并且在空氣正面流動(dòng)時(shí)，仿真時(shí)可以只對(duì)縱向?qū)ΨQ部分的一側(cè)進(jìn)行運(yùn)算分析。經(jīng)過(guò)對(duì)稱簡(jiǎn)化后該SUV車型的體單元總數(shù)為9790萬(wàn)。圖3所示為最終完成的該車型縱向?qū)ΨQ面的體網(wǎng)格示意圖，圖4所示為該SUV車型的邊界層網(wǎng)格。

圖3 某SUV車型縱向?qū)ΨQ面的體網(wǎng)格示意圖

圖4 某SUV車型的邊界層網(wǎng)格示意

仿真計(jì)算中將CFD計(jì)算域設(shè)置為7倍車寬、 6倍車高、13倍車長(zhǎng)（車前4倍車長(zhǎng)，車后8倍車長(zhǎng)）的長(zhǎng)方體。

3 整車的CFD數(shù)值模擬計(jì)算

仿真計(jì)算時(shí)，在STAR-CCM+軟件中選擇Realizable K- Epsilon湍流模型，將計(jì)算域的入口設(shè)定為速度入口，氣流流速為120km/h，計(jì)算域出口設(shè)為壓力出口，相對(duì)壓力值為0Pa，汽車前部地面設(shè)置為滑移（slip），其余地面設(shè)置為非滑移（no-slip）。

鑒于該汽車模型在仿真中的狀態(tài)為半載，同時(shí)考慮到地面線方向與世界坐標(biāo)系的x軸存在一定的夾角，本次模擬中的風(fēng)洞模型應(yīng)以地面線為基礎(chǔ)，并且局部坐標(biāo)系也是以地面為基礎(chǔ)的，還有將風(fēng)洞坐標(biāo)系的x軸方向設(shè)定為風(fēng)向。本次模擬經(jīng)過(guò)4000步的迭代計(jì)算后就達(dá)到了收斂，因此計(jì)算結(jié)果合乎要求。

仿真結(jié)果顯示該SUV車型的的空氣阻力系數(shù)為0.325，在計(jì)算車速為120Km/h是該SUV的空氣阻力為270.08牛頓。仿真結(jié)果同時(shí)還給出出了不同車身部位的空氣阻力大小，并計(jì)算得出了不同車身部位占整車空氣阻力的比值，其中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，前風(fēng)擋玻璃，車身頂部，車身底部，翼子板及前部，后輪罩及后部等部位的空氣阻力分別為-29.4N，9.2N，-7.4N, 8.7N, 100.1N, 123.2N，占整車空氣阻力的百分比分別為-10.90%，3.42%，-2.74%，3.23%，37.05%，45.61%，其他部位的空氣阻力大小為65.7N，占整車空氣阻力的百分比為24.33%。

除了車身各部位的空氣阻力分布外，為了進(jìn)一步優(yōu)化汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，我們還需要對(duì)整車的速度云圖，壓力云圖，湍流動(dòng)能圖等進(jìn)行分析，以便能確定汽車行駛過(guò)程中的汽車周圍流場(chǎng)情況，從而確定行駛中氣流分離較為嚴(yán)重的車身部位，進(jìn)而通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵部位的優(yōu)化以進(jìn)一步改善汽車的動(dòng)力學(xué)性能。

該車型縱向?qū)ΨQ面上的相對(duì)壓力系數(shù)分布圖如圖5所示。由整車四周的壓力云圖可以看出，汽車行駛時(shí)前方的空氣流動(dòng)受到汽車前部的阻礙，因此空氣向車身周邊分散流動(dòng)，被分離向上的氣流經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端時(shí)分離現(xiàn)象特別嚴(yán)重，與此同時(shí)該處的負(fù)壓值也非常大，這也解釋了為何發(fā)動(dòng)機(jī)罩處的空氣阻力為負(fù)值。之后氣流開(kāi)始漸漸緊貼在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，壓力值漸漸增大，當(dāng)空氣流到前風(fēng)擋玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的拐彎處時(shí)，氣流再次受到阻礙，流速降低，這時(shí)氣體流動(dòng)壓力漸漸加大，隨后氣流經(jīng)前風(fēng)擋玻璃流過(guò)汽車頂蓋，因?yàn)榇藭r(shí)氣流還有向上流動(dòng)的趨勢(shì)，故氣流不會(huì)立刻貼合在汽車頂蓋上，導(dǎo)致前風(fēng)擋玻璃與頂蓋的拐角處氣流流速較大，該處壓力值較小，氣流沿汽車頂蓋繼續(xù)流動(dòng)，經(jīng)汽車尾翼后散開(kāi)；而向下流動(dòng)的氣流分離較為嚴(yán)重的位置是在汽車接近角的前端，并且在這里的負(fù)壓值很大，之后氣流漸漸貼近汽車底部表面，壓力漸漸提升，氣流經(jīng)汽車底部流到汽車后部時(shí)，因?yàn)槠囯x去角處上揚(yáng)的傾角會(huì)對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，隨后氣流經(jīng)由汽車后緣散去，所以導(dǎo)致該位置的壓力值減小。

圖5 某SUV車型縱向?qū)ΨQ面的相對(duì)壓力系數(shù)分布

該SUV車型縱向?qū)ΨQ面上的湍流動(dòng)能圖見(jiàn)圖6。可以看出，該車多個(gè)部位的氣流分流現(xiàn)象特別嚴(yán)重，這也是湍流在這些位置產(chǎn)生的原因，湍流現(xiàn)象嚴(yán)重的位置包括車身底部和汽車尾部區(qū)域，汽車頂蓋部分，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)擋玻璃轉(zhuǎn)角處，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前緣，其中湍流現(xiàn)象最為嚴(yán)重的區(qū)域就是車身底部和汽車尾部區(qū)域。

圖6 某SUV車型縱向?qū)ΨQ面的的湍流動(dòng)能圖

該SUV車型水平面上的湍流動(dòng)能圖如圖7所示。可以看出，汽車行駛時(shí)，空氣流經(jīng)汽車前部受到阻礙后向車身左右兩邊分流，從而導(dǎo)致左右兩側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的湍流情況，從而導(dǎo)致空氣在車身左右兩側(cè)沒(méi)有很好地與車身貼合，這樣使汽車尾部的湍流動(dòng)能特別大，影響區(qū)域也很大。

圖7 某SUV車型水平面上的湍流動(dòng)能圖

為了能夠充分降低空氣阻力的大小，令氣流在車身分離的現(xiàn)象得以有效控制，讓氣流平穩(wěn)地流過(guò)車體，需要在汽車氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)車身影響氣流分離的關(guān)鍵部位進(jìn)行形狀優(yōu)化。由于汽車行駛過(guò)程中湍流的形成很大程度上取決于車身各部位氣流的分離，同時(shí)氣流流經(jīng)汽車尾部分離時(shí)向四周散去也會(huì)使得湍流區(qū)域變的較大，從而也會(huì)導(dǎo)致高的湍流動(dòng)能。基于上述導(dǎo)致湍流動(dòng)能變大的兩個(gè)原因，針對(duì)該SUV車型的外流場(chǎng)特性，通過(guò)分析可以得到影響空氣阻力的關(guān)鍵參數(shù)包括車身頂蓋的角度、后導(dǎo)流板的長(zhǎng)度、汽車離去角、后輪罩內(nèi)收、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的傾角、前風(fēng)擋玻璃的傾角、汽車接近角、前翼子板的外寬。如果要進(jìn)一步降低該車型的空氣阻力，需圍繞車身的這8個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量展開(kāi)后續(xù)優(yōu)化研究。

4 總結(jié)

采用STAR-CCM+軟件對(duì)處于造型階段的SUV車型進(jìn)行了汽車空氣動(dòng)力學(xué)分析，首先采用hypermesh軟件對(duì)其CAS數(shù)模進(jìn)行了前處理，在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行了網(wǎng)格劃分和相關(guān)仿真設(shè)置，搭建了整車的CFD計(jì)算模型，求解得到了整車的空氣動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)對(duì)整車的流場(chǎng)分析，提取了影響汽車流場(chǎng)的8個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，基于這些設(shè)計(jì)變量可以進(jìn)一步針對(duì)汽車的流場(chǎng)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化研究，從而降低其空氣阻力。

[1] 傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:1.

[2] 張英朝.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.6.

[3] 朱暉,楊志剛.類車體尾跡區(qū)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué).實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2010,24（2）:24-27.

[4] 江濤.汽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,2011.

[5] 黃森仁,王宇,崔世海等.汽車前部氣動(dòng)外形減阻自動(dòng)優(yōu)化研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2019, 282(3):101-104.

[6] Ribaldone E De Puri,I Cogotti F Pizzoni R. et al. Optimizing the External Shape of Vehicles at the Concept Stage: Integration of Aerodynamics and Ergonomics[C].SAE Int. J. Engines 4(2):2622- 2628, 2011.

External Flow Field Analysis of Automobile Body Shape Using Computational Fluid Dynamics

Huang Senren1, Wang Yu2, Diao Shuo2, Cui Shihai2, Liu Xuelong1

( 1.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300;2.College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222 )

The computational fluid dynamics (CFD) is very important in the design process of vehicle dynamic shape. Based on the CAS model of a SUV styling, after geometrical cleaning and meshing, the CFD model of the whole automo -bile is developed. The aerodynamic properties of the SUV are simulated using CFD code STAR CCM+. The simulation results showed that the aerodynamic drag coefficient is 0.325. After analyzing the external flow field of the SUV, the key parameters of automobile body that influence the aerodynamic drag coefficient are figured out in order to further optimization of the automobile styling.

CFD; External flow field analysis; Aerodynamic drag coefficient; Aerodynamic drag reduction

U463.82

A

1671-7988(2019)24-67-03

U463.82

A

1671-7988(2019)24-67-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.022

黃森仁，碩士，高級(jí)工程師，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，研究方向：汽車空氣動(dòng)力學(xué)。