基于FLUENT的擾流器對某跑車升力系數(shù)影響的仿真分析

張作森，張玉玲

（1.重慶大學汽車工程學院，重慶 400044；2.天津外國語大學國際商學院，天津 300270）

前言

目前，汽車氣動性能已經(jīng)成為國內外一個熱門的研究方向。起初的研究對象僅限于車體本身，現(xiàn)在發(fā)展到對車身附件的模擬，例如 Norwazan、Khalid、Zulkiffli等（2012）對車尾擾流器進行研究模擬[1]；嚴擇圓，杜常清，胡藝鳳等（2019）對方程式賽車尾翼負升力特性的探究[2]；南瓊，應保勝，伍俊杰等（2019）對FSAE賽車二維擴散器的氣動性能進行研究[3]。關于車身空氣動力學的研究方法主要包括汽車風洞試驗和計算機仿真兩類。風洞試驗是一種研究汽車空氣動力學的傳統(tǒng)而又有效的方法，但汽車風洞建設的投資大、成本高，并且試驗的周期長，此外還存在堵塞效應、地面效應與車輪旋轉效應模擬等問題[4]。與汽車風洞試驗相比，計算機仿真具有成本低、可視化高、可復現(xiàn)等優(yōu)點，在汽車設計開發(fā)過程中的應用越來越廣泛[5-6]。本文基于CFD理論對某跑車車身進行外流場仿真，首先導入車身三維幾何模型，利用ANSA軟件對車身模型進行幾何清理并劃分四面體非結構網(wǎng)格，利用FLUENT軟件進行升力系數(shù)的求解計算，最后在CFD-POST軟件中提取計算結果，研究擾流器對汽車升力系數(shù)的影響。

1 模型的幾何清理及網(wǎng)格劃分

1.1 模型的幾何清理

原始跑車模型的尺寸為：長L=3350 mm，寬W=1340 mm，高H=810 mm。將跑車模型導入到ANSA軟件中，由于原始模型的曲面細節(jié)過多，如后視鏡等，從而導致在 ANSA軟件中生成的網(wǎng)格質量較差，最終會影響仿真結果的準確性，因此需要對模型進行幾何清理，刪掉對仿真結果影響較小的部分，將車身底部簡化為平面，最終將汽車處理為一個封閉的殼體[1]。完成幾何清理后的跑車原始模型如圖 1所示。圖 2為加裝擾流器的跑車模型，本文一共有0 °、6 °、12 °三種不同角度的擾流器。

圖1 幾何清理后的原始跑車模型

圖2 加裝擾流器的跑車模型

設置跑車外流場計算域為長方體形，其尺寸設定為： 車前取L，車后取3 L，車兩側各取0.5 L，車上部取0.2 L，車底部取0.001L。外流場計算域模型，如圖3所示。

圖3 外流場計算域模型

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

運用ANSA軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，由于混合網(wǎng)格具有精度高、數(shù)量少的優(yōu)點，因此網(wǎng)格類型選擇混合網(wǎng)格[1]。由于車身附近的氣流變化大，速度、壓力等物理量變化劇烈，流場情況相對復雜，故在車身附近對網(wǎng)格進行適當加密，以便于精確捕捉車身周圍的氣流流動情況；而在遠離車身的計算域，物理量變化平緩，將網(wǎng)格劃分得適當稀疏，以達到減少總體網(wǎng)格數(shù)量的目的。模型中間面的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 中間面網(wǎng)格

2 升力系數(shù)的仿真求解

2.1 控制方程

汽車外流場仿真是一個復雜的過程，但其遵循基本的流動控制方程，即連續(xù)性方程、動量方程、能量方程。由于本次汽車外流場仿真僅進行流動參數(shù)（如速度、壓力等）的仿真計算，不涉及溫度場的仿真計算，因此下面僅給出連續(xù)性方程和動量方程。

（1）連續(xù)性方程

式中：ρ為流體密度，τ為時間；為流體速度矢量；div為散度。

（2）動量方程

式中，p為壓強；Fi為體積力；Ui為沿坐標軸方向速度分量；sij為粘性應力分量。

2.2 湍流模型

目前，在工程中應用最廣泛的湍流模型是k-ε模型[7-8]，比較流行的 k-ε模型包括標準 k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，本文選用 Realizable k-ε湍流模型。

2.3 邊界條件

外流場計算域設置入口（inlet）、出口（outlet）、地面（ground）、左右側面及上壁面（wall）以及車身表面（car）五個部分。將入口邊界條件設為速度入口，氣流速度u=50 m/s，方向為垂直于入口邊界；將出口邊界條件設為壓力出口；將地面設為移動壁面邊界，速度、方向與入口相同；將計算域左右側面及上壁面設為滑移壁面邊界；將車身表面設為固定無滑移壁面。

3 升力系數(shù)結果及原因分析

3.1 升力系數(shù)的計算結果

FLUENT是基于有限體積法的數(shù)值模擬軟件，其對流動問題的仿真具有良好的適用性。在 FLUENT 中對原始模型以及三種加裝擾流器模型進行仿真計算， 得到相應的升力系數(shù)，如表 1所示。

表1 升力系數(shù)匯總表

觀察表中數(shù)據(jù)，可以得到以下結論：

（1）原始模型的升力系數(shù)為正，加裝擾流器的跑車模型的升力系數(shù)為負，加裝擾流器的跑車升力系數(shù)小于原始模型的升力系數(shù)，表現(xiàn)為高速行駛時加裝擾流器的跑車的抓地性能優(yōu)于原始模型。

（2）在加裝擾流器的模型中，擾流器的角度越大，升力系數(shù)的絕對值越大，汽車高速高速行駛的穩(wěn)定性越高。

3.2 升力系數(shù)差異的原因分析

計算域中間對稱面（y=0）的速度矢量圖如圖 5 所示。由圖5（a）可以看到氣流流經(jīng)車頂和車底后在車身尾端以幾乎平行的角度流出，在車尾處形成漩渦，導致車尾處形成負壓區(qū)。圖 5（b）（c）（d）中，上側氣流流過車頂后由擾流器引導向上，下側氣流由引流板引導向上，擾流器的存在延遲了車身上方和車身下方兩股氣流在車尾處的平穩(wěn)匯合。同時還可以觀察到在車尾處擾流器下方存在一個較大的漩渦，導致車尾處擾流器下方形成負壓區(qū)，正是由于該負壓區(qū)的存在降低了汽車的升力系數(shù)，增大了汽車的抓地性能[8-11]，并且擾流器的角度越大，擾流器下方的漩渦越大，即升力系數(shù)越小。

圖5 中間對稱面的速度矢量圖

計算域中間對稱面的壓力云圖，如圖 6所示。圖6（a）中的原車模型，受到向上的升力，高速行駛時，汽車的行駛穩(wěn)定性差，圖6（d）的底部存在大面積的負壓區(qū)，而車身上部負壓區(qū)較小，擾流器處甚至存在正壓區(qū)，車身上部壓力大于車身下部壓力，因此在高速行駛時可以保證汽車具有較好的行駛穩(wěn)定性。

圖6 中間對稱面的壓力云圖

4 結論

對某型跑車原車及加裝三種不同角度擾流器后的模型進行升力系數(shù)的仿真分析，得到以下結論：

（1）原始跑車模型的升力系數(shù)為正，高速行駛時跑車的穩(wěn)定性較差，加裝擾流器的跑車模型升力系數(shù)為負，高速行駛時，具有較好的抓地性能，保證汽車高速行駛時的穩(wěn)定性。

（2）不同角度的擾流器對整車的升力系數(shù)會產(chǎn)生不同的影響，擾流器的存在延遲了兩股氣流在車尾處的平穩(wěn)匯合，導致車尾處擾流器下方形成負壓區(qū)，降低了車的升力系數(shù)。擾流器的角度越大，升力系數(shù)越小，抓地性能越好。