汽車外流場分析以及流線型改進

劉進，蔣慧略，劉波，杜大偉

(1. 齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東 青島 266001；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266001)

現代汽車行業發展迅速，人們對汽車的性能要求也不斷提高，計算流體力學(computational fluid dgnamic,CFD)在汽車空氣動力學中得到了廣泛的應用，同試驗相比，其具有可預先研究、不受條件限制、成本低和周期短等特點。近年來，學者們開始研究優化汽車的車身[1]從而優化其氣動特性，并改善汽車性能、節約研究資金、提高研究效率，已經獲得了較為理想的研究成果。彭昌明[2]基于一款純電動汽車車身模型進行了減阻優化研究，錢娟等[3]改進了客車外形從而優化汽車的氣動特性，張震等[4]基于CFD對跑車的外形結構進行了局部優化。但是通過CFD對汽車外流場進行分析以及改進汽車流線型方面鮮有學者涉及。因此，本文分析一種微型汽車在改變流線型前后的外流場影響，基于CFD對兩種流線型[5]的汽車整體進行速度矢量場、壓力場、氣動阻力[6]分析，以氣動阻力值作為評價指標，對汽車流線型進行了改進。

1 幾何模型

選用人們日常使用且便捷的微型車作為研究對象，通過CATIA軟件建立汽車的幾何模型。汽車大小參照其真實尺寸，見圖1。其中圖1(b)為改進流線型車，刪除了汽車表面許多對車身外流場影響較小的細小結構。由于這些細小結構在模型建立網格[7]劃分時很復雜，并且對計算機要求較高，計算時間長，計算效率低下，故用簡化的模型。得到原車和改進流線型后的汽車如圖1所示，汽車外形幾何參數[8]見表1。

表1 汽車外形幾何參數Table 1 Predominant parameters of the car

2 CFD模擬計算

假設該汽車模型長為L,寬為W，高為H。整體計算域為模擬風洞的長方體，根據車身氣體流動狀態和原理[9]，長度方向計算域取氣體入口距離車頭2.5L,氣體出口距離車尾6L，寬度方向兩側取2.5W,高度為5H。如圖2所示。

本文是用ICEM-CFD劃分網格，采用四面體網格，由于車身表面是關鍵表面，因此采用較細的網格并且為了網格的連貫性設置了邊界層。網格總數為516 517，得到的網格模型如圖3所示。

圖2 計算域模型Fig.2 Computational domain model

圖3 網格模型Fig.3 Mesh model

本文的湍流模型采用 Realizable k-epsilon計算模型[10]，邊界條件：進口速度為20 m/s、50 m/s;出口壓力為大氣壓;車身為不可滑移壁面;地面是移動壁面，速度分別是20 m/s、50 m/s;近壁面處理采用標準壁面模型[10]。

3 流場結果分析

3.1 速度矢量分析

本文對原車和改進流線型車進行了CFD計算分析，模擬了在20 m/s的正常行駛速度和50 m/s的極限行駛速度下，原車和改進流線型車外流場的差異以及對汽車動力性能的影響。得到的速度矢量結果如圖4、圖5所示，并局部放大了車尾的速度矢量部分便于分析。

圖4 原車和改進流線型車在20 m/s的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 20 m/s

圖5 原車和改進流線型車在50 m/s的速度矢量圖 Fig.5 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 50 m/s

通過對圖4～5在相同車速下原車與改進流線型車的速度矢量圖分析可得，無論是原車還是改進流線型車在20 m/s和50 m/s速度下速度矢量變化規律基本一致。兩種流線型的車身前方來流，大部分都流向了車頂，小部分流向車底。通過觀察原車與改進流線型車在局部放大的尾部速度矢量部分可以發現，原車在20 m/s和50 m/s速度下氣流流至車身尾部時出現旋渦，產生的逆時針氣流會造成汽車外流場的總壓損失，車尾渦流造成能量消耗，增加氣動阻力；而改進流線型車在20 m/s和50 m/s速度下均未產生明顯的旋渦。流線型的設計有效控制了氣流的局部分離現象，減少了能量消耗，提高了汽車的續航能力。

3.2 外流場壓力分析

圖6 原車和改進流線型車在20 m/s的壓力云圖 Fig.6 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 20 m/s

圖7 改進流線型車在50 m/s的壓力云圖 Fig.7 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 50 m/s

通過圖6～7，比較相同車速下原車與改進流線型車的外流場壓力云圖可得，原車與改進流線型車在車頭的表面壓力最大。這是由于遠前方氣流遇到車頭而受到阻滯，使氣流速度降低，因而在車頭形成正壓區。車頭上緣角壓力下降，這是由于上緣角曲率大，氣流來不及轉折而出現局部分離，這時氣流速度也較大。在車身長度方向的壓力分布影響著前后輪載荷的分布，進而影響驅動力。可以看出20 m/s和50 m/s速度下改進型車的對稱面壓力分布較為均勻，壓力梯度相對原車變化平緩，改進流線型的載荷分布明顯優于原車的載荷分布，這是因為流線型的設計使得車頂氣流相對平緩，從而車頂部的空氣壓力小于車底部的壓力，產生更多的升力，進而影響汽車的穩定性。

3.3 車身壓力分析

為比較原車與改進流線型車在20 m/s和50 m/s速度下車身表面的壓力分布，我們獲取了原車與改進流線型車的車頭區域、前擋風玻璃區域、車頂區域以及車尾區域的平均壓力值，分別用A、B、C、D表示。車身前表面壓力示意圖如圖8所示，車身后表面壓力示意圖如圖9所示,得出的20 m/s和50 m/s各區域壓力均值如表2～3所示。

圖8 原車和改進流線型車的前車身壓力示意圖Fig.8 Pressure nephogram of simplified front body before and after optimization

圖9 原車和改進流線型車的后車身壓力示意圖 Fig.9 Pressure nephogram of simplified rear body before and after optimization

表2 汽車在20 m/s時4個區域的壓力均值Table 2 Mean pressure value of four areas at 20 m/s 單位：Pa

表3 汽車在50 m/s時4個區域的壓力均值Table 3 Mean pressure value of four areas at 50 m/s 單位：Pa

從表2、表3可以看出，在20 m/s速度下A區域壓力值最大。原車為255 Pa，改進流線車為252 Pa,氣流流過引擎蓋前緣由于氣流分離，到B區域壓力逐漸下降直至C區域變為負壓，氣流在D區域分離，形成負壓區。其中，從A到C區域的壓差值原車為435 Pa，改進流線型車為382 Pa。D區域原車的負壓為-22 Pa,改進流線型為-2 Pa。

在50 m/s的極限行駛速度下，A區域仍然有最大正壓力。原車為1590 Pa，改進流線車為1430 Pa,從A到C區域的壓差值原車為2980 Pa，改進流線型車為2640 Pa。氣流在D區域也形成負壓區，原車的負壓為-240 Pa,改進流線型為-133 Pa,發現無論在20 m/s還是50 m/s速度下，改進流線型車的壓力差都低于原車的壓力差。

因為在前風窗跟發動機罩之間流線型改變，使得改進流線型車的壓力分布明顯減小；而在空氣的黏性作用下，氣流在汽車前端的車蓋上發生了局部分離，導致受到的壓力降低。在車頂以及車的后部采用的流線型設計，使得空氣的黏性作用讓氣流流動均勻，行駛過程中受到的風阻較小，對于汽車的動力性影響較小；在正常行駛速度20 m/s和極限行駛速度50 m/s下，改進流線型尾部的平均壓強值也低于原車的壓力值，因此車身模型的流線型改進后，改善了車尾部氣動特性。

3.4 氣動阻力分析

降低汽車的氣動阻力是汽車氣動造型改進的一個主要指標，原車和改進流線型車身模型在20 m/s和50 m/s速度下數值模擬計算后得到的氣動阻力值見表4。

表4 汽車氣動阻力值Table 4 Aerodynamic resistance of cars 單位：N

發現在20 m/s的速度下，改進流線型車的氣動阻力值比原車型降低了6.67%；在50 m/s速度下，改進流線型車的氣動阻力值比原車型降低了4.55%。這是因為合理地設計車身，即在車蓋、車頂和尾部的流線型設計，減少了車頭正壓區和車尾負壓區的壓力，氣流會流經車身表面，此時受到車身阻礙發生分離，分離后，氣流再次附著車身向后流。因此，流線型設計產生的分離區越小，消耗的能量就越少，產生的氣動阻力值就越低。

通過對比原車和改進流線型車20 m/s和50 m/s速度下的氣動阻力值，發現無論在正常行駛速度還是極限行駛速度下，改進流線型車都能有效減小行駛過程中受到的氣動阻力，表明改進方案有較好的減阻效果。

4 結論

本文基于某一微型車車身模型進行了減阻優化研究，結果表明無論是正常行駛速度20 m/s還是極限行駛速度50 m/s下，改進流線型車的壓力分布均得到了有效改善，氣動阻力在20 m/s時減阻率為6.67%，在50 m/s時依舊能減阻4.55%。該研究的氣動阻力優化效果突出，為汽車流動減阻、結構設計提供了指導依據。本文采用數值模擬的方法，對實際車型進行了簡化，并未考慮汽車復雜特征，在后續的研究中可以考慮更多汽車的局部結構細節特征，進一步完善優化結果，以期獲得更好的汽車性能。