基于CFD 分析擋風玻璃風阻系數

楊 揚

（晉中職業技術學院 車輛工程學院， 山西 晉中 030600）

卡車能夠在路面上運動，是由于卡車驅動力大于或者等于外界產生的阻力，從而可以實現各種模式的運動?？ㄜ囋谄秸访嫔弦酝凰俣冗\動時，必須克服來自卡車輪胎與地面之間運動產生的滾動阻力和卡車車身與空氣摩擦產生的空氣阻力；當卡車在具有一定角度路面上行駛，還需要克服自身重力所產生的阻力即坡度阻力；當卡車加速行駛時，還需要克服加速阻力［1］。結合以上敘述，可以看出無論卡車以哪種方式運動，空氣阻力和滾動阻力是無法避免的。

本文主要通過數值模擬CFD方法，來研究擋風玻璃阻力系數與車速之間的關系。研究對象選取某品牌自主研發的6×4大型卡車，主要模擬該車型在水平道路上以同一速度運動行駛，分別研究行駛速度為50km/h、80km/h、110km/h下前擋風玻璃阻力系數與速度之間的關系。

1 理論基礎

工作介質不管是可壓縮還是不可以，層流還是湍流或者其它狀態的流體，FLUENT對這些問題都有非常巧妙的處理方法，FLUENT強大的功能有多種方法來解決工程中的實際問題［2］。CFD軟件在求解現實中的工程相關難題時，會處理一些比較特殊的層流或者湍流問題［3］。下面給出流體分析的連續性方程和動量方程［4］。

1） 連續方程

對于不可壓縮的工作介質來說，無論是以哪種運動形式流動，因為ρ=常數，公式可以簡化為：

流場中的V和ρ，都可以通過以上公式連續方程得到。

2） 動量方程

在求解相關問題時，我們選取研究的一部分工作介質，選取這部分流體進入區域的和流出該區域的動量都是守恒的。定常流動，控制體內的動量保持不變，即

動量方程是矢量平衡方程，也可以取分量平衡的形式。

2 基于CFD進行前處理

以下主要通過CFD數值模擬方法，對簡化處理后的卡車進行模型建立及網格劃分，以及邊界設置。

2.1 建立模型及網格劃分

本文針對某企業自主研發的6×4卡車，結合其實際參數長6m、寬3.5m、高3.86m和形狀，以及模擬的重點對模型做了合理簡化處理；通過CATIA軟件對簡化模型進行三維建模，接著借助ICEM軟件對做好的流體模型進行網格劃分。

網格劃分CFD模擬分析前處理，在整個模擬分析中耗時大約占到整個模擬30%～60%的時間［5］。在實際模擬過程中，網格品質和數量會影響到后期FLUENT計算的精度和速度；同時，也會影響到計算過程中收斂及收斂速度。在劃分網格過程中，如果網格數量比較稀疏，很有可能導致在后期模擬過程中計算出現發散情況，或者收斂速度變慢；遇到該類型問題，就需要對網格進行加密處理，恰當縮小網格尺寸。但是，如果網格太密了必然導致網格數量加大，在FLUENT求解過程中對計算機硬件提出更高的要求，否則計算速度將會大大變慢，嚴重影響到工作效率；所以，在進行網格劃分時候，我們應該結合模擬流體區域的重點，進行合理網格數量，要在網格品質和網格數量之間做一個恰當的權衡［6］。

本文網格劃分采用結構化4邊形，6面體網格劃分，考慮到網格太密會影響到計算效率，在進行建模時采取模型的一半，這樣可以有效降低網格數量，從而提升計算速度提高計算效率［2］。

2.2 邊界條件設定

基于FLUENT求解的連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程及其它標量方程等問題，解法都是相近的，只是在定義流動的邊界條件時有所不同，致使在實際研究問題中往往更為復雜和多樣。那么針對不同的問題，FLUENT就需要對其進行特定的邊界設置。設置的內容一般涉及工作介質的物理特性，以及熱量變化和組分等其它變量在流道邊界處的具體數值，所以邊界條件的設置在運算中起到很重要的作用，也可以說關乎整個計算結果的準確度，因此我們在對邊界條件進行設置時要更為準確［7］。

在本課題中選取操作壓力為1個標準大氣壓，同時在Y方向上設置重力加速度。在求解中選擇單向流模型，并對模型進行相關的假設［8］：①流體為不可壓縮流體；②忽略壓力對空氣密度的影響，假定壁面絕熱與流體間無熱傳導；③與流體接觸的邊界壁面為靜止壁面，壁面處無滑移。所選工作介質為空氣；湍流模型選取為 湍流模型；入口設置為速度入口，速度分別為50km/h、80km/h、110km/h；出口設置為壓力出口101325Pa；采用壓力穩態求解器，計算方法選取SIMPLE格式。

3 基于FLUENT模擬分析

以下主要通過FLUENT軟件對行駛速度50km/h、80km/h、110km/h下卡車動態性能進行分析。

3.1 速度特性

圖1～圖3分別為行駛速度50km/h、80km/h、110km/h數值模擬得到的速度云圖，從云圖中可以看出在位于卡車前端和

尾部區域速度相對其它區域較低。

圖1 50km/h速度云圖

圖2 80km/h速度云圖

3.2 阻力特性

圖4～圖6模擬得到的結果分別為行駛速度50km/h、80km/h、110km/h下，前擋風玻璃阻力系數。通過以上3幅阻力系數圖可以看出，阻力系數瞬間達到波峰狀態，之后回落后維持在穩定狀態。同時，隨著卡車速度加快，前擋風玻璃阻力系數也越來越大，行駛速度在50km/h時阻力最大系數為0.325，當速度穩定運行后阻力系數穩定在0.25左右；行駛速度在80km/h時阻力最大系數為0.64，當速度穩定運行后阻力系數穩定在0.52左右；行駛速度在110km/h時阻力最大系數為1.18，當速度穩定運行后阻力系數穩定在0.90左右。

圖4 50km/h阻力特性曲線

圖5 80km/h阻力特性曲線

圖6 110km/h阻力特性曲線

3.3 壓力特性

圖7～圖9模擬得到的結果分別為卡車在平路上以速度50km/h、80km/h、110km/h下，得到的卡車車身上壓強特性云圖。通過以上模擬云圖可以看出，隨著行駛速度加快，車頭迎風部位受到的壓強最大，其它區域壓強相對較??；可見卡車擋風玻璃總壓與行駛速度呈正相關。

圖7 50km/h壓強特性

圖8 80km/h壓強特性

圖9 110km/h壓強特性

4 結論

該文通過數值模擬CFD方法進行分析，前期通過CATIA三維建模軟件對簡化后的流體模型進行建模；借助ICEM前處理軟件對流體模型進行網格劃分；之后通過FLUENT對計算機可識別的網格進行模擬計算，最后得到速度與前擋風玻璃阻力系數之間的關系。

通過模擬得到的數據可以看出：速度直接影響到前擋風玻璃阻力系數，同時隨著速度的增加，阻力系數也在不斷增加，可見前擋風玻璃阻力系數和速度呈正相關，也就是隨著速度的增加卡車越來越耗油。