基于FLUENT 的擾流器對某跑車阻力系數影響的仿真分析

田 會，張作森，張玉玲

（1.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；2.天津外國語大學國際商學院，天津 300270）

前言

研究汽車的氣動性能可以改善汽車高速行駛的穩定性，還可以降低油耗[1]。汽車氣動性能的研究對象由最初僅限于車體本身，到現在對車身附件的模擬。目前主要有汽車風洞試驗和計算機仿真兩類方法來研究汽車的氣動特性。風洞試驗是一種研究汽車空氣動力學的傳統方法，存在投資大、成本高、試驗的周期長等問題，此外還存在地面效應與車輪旋轉效應模擬等問題[2]。與汽車風洞試驗相比，計算機仿真具有成本低、可視化程度高等優點，應用的越來越廣泛[3]。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非結構網格，利用FLUENT 軟件進行阻力系數的求解計算，最后在CFD-POST 軟件中提取計算結果，分析擾流器對汽車阻力系數的影響，為以后減小汽車阻力系數提供參考。

1 模型的幾何清理及網格劃分

1.1 模型的幾何清理

原始跑車模型的尺寸為：長L=3 350 mm，寬W=1 340 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過多，如后視鏡等，從而導致在ANSA軟件中生成的網格質量較差，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[3]。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0.001 L。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 模型的網格劃分

運用ANSA 軟件對模型進行網格劃分，由于混合網格具有精度高、數量少的優點，因此網格類型選擇混合網格[3]。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，將網格劃分得適當稀疏，以達到減少總體網格數量的目的。模型中間面的網格如圖4 所示。

圖4 中間面網格

2 阻力系數的仿真求解

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，即連續性方程、動量方程、能量方程[4-5]。由于本次汽車外流場仿真僅進行流動參數（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性方程和動量方程。

（1）連續性方程：

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0，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固定無滑移壁面邊界；將車身表面設為固定無滑移壁面。

3 阻力系數結果及原因分析

3.1 阻力系數的計算結果

FLUENT 是基于有限體積法的數值模擬軟件，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，得到相應的阻力系數，如表 1 所示，圖5 為各種模型的阻力系數柱狀圖。

表1 阻力系數匯總表

觀察表中數據，可以得到以下結論：

（1）原始模型的阻力系數小于加裝擾流器的跑車模型的阻力。

（2）在加裝擾流器的模型中，擾流器的角度越大，對應的阻力系數越大，表現為汽車行駛時的燃油經濟性越差。

3.2 阻力系數差異的原因分析

計算域中間對稱面的速度矢量圖，如圖 5 所示。由圖5（a）可以看到氣流流經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，這是產生汽車阻力系數的關鍵因素[1]。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匯合。同時還可以觀察到擾流板角度不同時，車尾漩渦的尺度（大小和形狀）也不相同，正是由于該尾部漩渦的存在增大了汽車的阻力系數，并且擾流器的角度越大，擾流器下方的漩渦越大，表現為汽車的阻力系數越大。

圖5 中間對稱面的速度矢量圖

圖6（a）為原車模型車尾的壓力云圖，原車模型的阻力系數為0.47，低于加裝擾流器的汽車模型的阻力系數，說明擾流器的存在明顯增加汽車的阻力系數。圖6（b）、（c）、（d）分別為加裝不同角度擾流器模型的車尾的壓力云圖，擾流器的角度不同，對應的汽車模型的阻力系數不同，說明擾流器的角度變化使得車體后部的能量耗散發生變化。并且擾流器角度越大，汽車能量耗散越大，表現為阻力系數越大，燃油經濟性越差。

圖6 車尾的壓力云圖

4 總結

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阻力系數的仿真分析，得到以下結論：

（1）原始跑車模型的阻力系數為0.47，其阻力系數小于加裝擾流器的汽車的阻力系數。

（2）不同角度的擾流器對整車的阻力系數會產生不同的影響，擾流器的存在延遲了兩股氣流在車尾處的平穩匯合，導致車尾處擾流器后方形成負壓區，增大了汽車的阻力系數。擾流器的角度越大，阻力系數越大，汽車的燃油經濟性越差。