基于CFD軟件某跑車外流場數值模擬分析

王瑞麗 魏麗青

摘 要：根據對國內某跑車進行相應的研究，通過catia三維軟件設計出其三維模型，之后再用CFD軟件實現對跑車劃分網格，之后再對得出的數值進行相應的模擬計算，并采取一定的加工處理，同時關注跑車內部的空氣動力性問題。在一系列的模擬計算后，我們可以得知，進行局部的優化處理是可以有效地得出最佳畫的跑車外部參數，同時實現跑車周身速度壓力場的改善處理。

關鍵詞：跑車車身;局部優化;風阻系數

前言

通常所說的汽車空氣動力一般指在汽車的前行過程中和空氣產生相應的作用力，由于產生的力對汽車消耗汽油的經濟性能和舒適性能等產生的影響。目前我國的科學技術不斷向前發展，隨之而來的是信息技術的發展包括計算流體力學，這對于研究汽車的空氣動力學有了很重要的推動作用。流體力學方法有很多的優點，例如所用時間少、消耗成本較低等，所以我們可以在汽車設計開發和相應的改進完善方面，都使用此技術。

1.跑車外流場的控制方程和湍流模型

在汽車以較高速度向前行駛的時候，可以得出此時的流體雷偌數是比臨界雷諾數大的，所以它的流動可以視作湍流。根據雷諾平均方程：

在這個公式里，si是源項，代表催化器載體阻力;? ? ? ? 是應力張量。

根據標準的K - ￡模型計算雷諾應力來封閉上述流動控制方程，即有

在這個公式里的? ? ? 是指湍流粘性系數，可以根據以下得出：

式中：K、￡分別為湍動能和湍能耗散率。

2.計算模型的建立及網格劃分

2.1 車身模型

計算模型是在CATIA軟件中以現實大小比例相等建立的（見圖1）。要同時實現提高網格的質量以及達到計算的速度，就要簡化車身模型。所以，忽略了跑車的一些部件，并對車身底部作平整化加工。

2.2 網格劃分

從以往的研究可以得出，要進行汽車行駛的模擬，可以采用的計算域是長方形：根據汽車的大小長×寬×高（L×W×H），我們將計算域設定成10L×4W×5H，計算域入口和車頭相距3L，出口處和車尾的距離為6L，車子的左右兩側寬度大小都是2W，高度是5W，完整的計算域都是通過結構網格來進行劃分的。我們先將模型通過CFD軟件，進行導入后根據車子的表面輪廓產生三角形網格，再講整個計算域進行劃分，通常這一步的劃分是采用四面體網格完成的。除此之外，我們還需要明確一點，那就是空氣中是存在粘度的，因此我們還需要在設計邊界層。要想擁有可靠度較高的結果，那就還需要在車子的車身周圍加密，一般這一步驟中網格尺寸在二十至四十毫米的范圍內。

2.3 邊界條件的設置

完成網格劃分后，就是對跑車外部流場的基本條件進行設計，之后可以利用Fluent軟件進行計算。其中，汽車外部邊界條件同時將出口、進口邊界條件以及固定壁面和車身表面等包含在內。通常，可以將壓力出口（pressure-outlet）設為出口邊界條件;速度出口（velocity-inlet）設為進口邊界條件設定;并且將速度的具體數值設定為40m/s。

3.跑車外流場模擬結果及分析

在完成對邊界條件設計后，通過Fluent軟件進行相應的數值模擬，就能夠產生跑車對稱面上的速度矢量圖、壓力云圖和氣流速度云圖。根據壓力云圖中可以看出整個跑車的壓力分布特點。車子的前段所收到的壓力是最大的，具體數值是1120 Pa，在車子上部的轉折處產生了一個稱為負壓區的區域，壓力值最小，具體數值表現為-2310Pa，同時可以得出，車子后部所承受的壓力值在-252Pa至91Pa之間，并且車身下方所受到的壓力要比上方受到的壓力大得多值。這樣在跑車的頭部和尾部就存在了一個明顯壓力差，同理可得，跑車的上方和下方之間也同樣是有著壓力差的。

因為存在著這樣的壓力差，所以就產生了跑車在行駛過程中會受到的氣動阻力和氣動升力，并且進一步對跑車整體的氣動特性產生了影響。車子以較高的速度向前的時候，產生的氣流和車子的前方發生摩擦，因此阻擋了氣流的運動，從而產生了氣流分離的現象，同時氣流也出現了減速，產生了正壓區。在氣流位于發動機蓋和前擋風玻璃之間的時候，因為受到玻璃的阻礙作用，氣流產生了分離現象，所以出現了一個區域，我們稱之為正壓區。在氣流到車頂前部的時候，氣流產生一定的轉折，因此，流速有所增加，因為車子車頂后部和后車窗玻璃之間呈現一個較為圓滑的角度，所以氣流在從車頂后部流動時幾乎沒有出現氣流分離的情況。車子前方面的氣流因為車頭部的抵擋，出現氣流分離，其中包括了向車子上方運動的氣流以及向車子底部流動的氣流。車子上方的氣流沿車前端發動機蓋最先產生加速，繼而與車前方玻璃相遇，受到阻擋之后再次加速，所以我們不難得知，氣流在車子前部時，其速度最大，之后快速減小，但卻始終可以維持在一個較快的流速上。而到了車子的后部時，氣流再一次遭遇阻礙產生流動分離，并且在車子的后部產生了一個區域，我們稱之為渦流區。根據以上，我們可以通過減少尾部渦流的流動的方法來進行車身外形參數的優化，具體方式是對跑車尾部的外部輪廓進行修改，以實現增加空氣動力性的目的。

4.跑車車身的局部優化

要實現對車子內部空氣動力性的改進，我們可以通過對跑車進行局部的優化的方式達成。通過對跑車外部數據做一些修改，從而產生一些參數不同的跑車，之后再數值模擬這些不同的外形參數，比較其風阻系數的數值，就能夠掌握更為優良的外形參數。所以，我們能初步設定前風窗的角都為X，X的具體數值可以是250、280、310;再將后風窗的角度設定為Y，Y的具體數值可以是180、210、240;最后將尾部翹角設定為Z，Z的具體數值可以是80、110、140。進行一點的改進后雖然不能完全的解決跑車尾部的渦流的問題，卻能夠最大化的對跑車空氣動力性進行了相應的改進，因此，我們可以在實際應用中選擇此局部優化的解決方案。

結語

我們采用了Fluent軟件進行了簡單的數值模擬，主要是針對跑車外流場，并根據此成功實現了車身的壓力云圖以及尾部的速度矢量圖，同時也實現了對跑車外流場的流動機理、氣動力特性以及流動特性關系進行了相應的研究，因此的得出了為何會出現氣動力產生的理由。因為還是存在很多的局限性，所以未能進行風洞試驗，以實現對跑車外流場進行最佳的數值模擬。

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