基于CFD的汽車空氣動力特性分析

丁揚志，孫霽宇

(1.長春汽車工業高等?？茖W校汽車營銷學院，吉林長春 130013；2.吉林大學生物與農業工程學院，吉林長春130000)

1 引言

汽車在行駛過程中，氣流流經車身與其表面摩擦，產生摩擦阻力。同時由于車身外形的阻礙，氣流改變了原有的流動狀態，使得車身局部壓力升高，也會對汽車的行駛產生阻力。受氣流的影響，汽車在行駛過程中會產生障礙其運動的空氣阻力，且這種阻力的影響隨著車速的增加而增大。由于車身各部分受到的局部壓力不一致，其壓力產生的合力在垂直于汽車運動方向上還存在一定分量，改變汽車輪胎與地面的壓力，使得汽車變得難于駕駛。

隨著汽車工業的飛速發展，汽車的行駛速度越來越高，汽車的空氣動力特性也變得越來越重要，研究汽車的空氣動力特性，可以達到減阻、增壓、增穩的目的。國內外的學者對汽車的空氣動力特性進行了大量研究。李毓洲應用Ansys軟件對汽車的空氣動力特性進行了研究，并提出了優化汽車車型及改善汽車空氣動力學特性的參考意見[1]。李華林應用Fluent分別對汽車行駛中的尾隨工況、側風工況以及超車工況進行了計算，并對行車安全以及汽車的優化給出了很多詳細的建議[2]。張峰對汽車尾部的外流場進行計算，并通過在車尾安裝擾流板以減緩汽車尾部渦流區的產生[3]。黃森仁應用STAR CCM++對SUV車型的阻力系數進行了計算，分別計算了汽車各部件的阻力，為后續汽車外形的優化提供了參考[4]。傅立敏應用動網格技術研究了汽車超車過程中被超車輛的阻力、側向力以及橫擺力矩的變化規律，其計算結果優于傳統的穩態計算[5]。

本文對不同車型的汽車進行氣動力計算，通過對比不同車尾外形、不同車前身外形的壓力分布、流動狀態，分析汽車外形對空氣動力特性的影響。

2 計算域及網格無差別分析

控制方程為Navier-Stokes方程，采用PIM-PLE算法求解Navier-Stokes方程。采用基于有限體積的空間離散方法和空間二階精度的線性插值方法，時間離散采用二階精度的后向差分方法。計算域的入口和出口以及外壁都設為壓力遠場，汽車表面設置為無滑移壁面，由于k-ε湍流模型計算外流場較為精確，因此計算模型選取k-ε湍流模型[6-9]。k-ε湍流模型中需要求解的湍流k數學方程為

(1)

湍流耗散率ε方程為

(2)

式中，k為湍流動能，ε為湍流耗散率，ρ為大氣密度，μ為動力粘度，μi為湍動粘度，C1、C2為經驗數，σε、σk為普朗特數，xi、xj為空間坐標，G、Gε為湍流動能，其值為

(3)

(4)

μi可以由下式求得

(5)

k-ε湍流模型中的常數值為

σε=1.3，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，Cu=0.09。

設汽車尺寸為4.5 m×1.8m×1.5 m，計算區域為23 m×10 m×5.3 m的長方體。來流風速為200km/h，方向沿X軸正方向。由于汽車前方流場對計算域流場影響較小，因此為了提高計算精度，同時又不增加網格數量，將汽車置于計算域的前下角，車頭距離計算域前端3 m，如圖1所示。邊界層共設置6層，第一層網格厚度為10-6m。

圖1 計算域示意圖

設置的初始條件為高度0 km，壓力p=0.101325Mpa，大氣溫度T=288.15K，入口來流馬赫數Ma=0.163。則網格數量從201.2萬至1411.5萬變化時，網格數量與汽車阻力系數之間的關系如圖2所示。

圖2 氣動力系數隨網格的變化關系

氣動力系數的求解公式如下所示

(6)

(7)

式中，Fd為氣動阻力，F1為氣動升力，Cd為阻力系數，C1為升力系數，V為汽車行駛速度，A為汽車迎風面積，對于本模型A=2.7。

由圖2可知，當網格數量小于800萬時，阻力系數隨網格數的變化較為明顯，而網格數由800萬增加到1400萬時，汽車的阻力系數僅從0.498減小到0.485，汽車的阻力系數下降的幅度較小，曲線趨于平穩。因此，為了兼顧計算速率計算精度，文中將計算域內的網格數量設置為812.3萬。

3 不同車形的流場計算與分析

設網格和計算域的設置保持不變，本節主要應用CFD對不同外形的汽車進行外流場計算，分別計算車前部外形相同車尾變化和車尾外形相同車前部變化時，汽車的外流場壓力分布以及流動狀態。

2.1 車尾外形對流場的影響

1)流場計算

設汽車尺寸為4.5 m×1.8 m×1.5 m，汽車車前身外形不變，車尾形狀分別如圖3所示，汽車行駛速度為200km/h，計算得到的車身壓力分布如圖4所示。

圖3 汽車外形圖

圖4 汽車壓力分布圖

2)氣動特性分析

由圖4的仿真可知，汽車車頭部分對氣流形成阻礙作用，使得車頭的壓力迅速上升，而車頂部分由于與汽車前后擋風玻璃形成向外的突起，導致氣流流速增加壓力降低。車尾部分產生強烈的脫體渦，脫體渦的出現會導致車尾后的氣流變為紊流，擾亂流場狀態增加全車阻力[10-11]。圖4(a)和(c)中車尾的脫體渦較為明顯，而圖4(a)中脫體渦不明顯，主要因為氣流流經外形1的車前部分氣流已經產生了嚴重的分離，而汽車尾部與后風擋之間又存在嚴重的阻礙作用，破壞了脫體渦的形成，最終導致圖4(a)中的脫體渦不明顯。因此，圖4(a)-(c)中可知，汽車車頭部分壓力急劇升高，而車尾部分壓力又存在不同程度的降低，導致整成在行駛過程中產生強烈的氣動阻力。由于車頂部分氣流流速增加，壓力下降，因此汽車在行駛過程中還會產生向上的升力，使得胎壓降低，汽車的操縱感變差。

由圖4中的流線圖可知，圖4(a)-(c)中汽車的引擎蓋和前擋風玻璃之間氣流與車身均產生了較大的分離，這種分離現象破壞了車身表面的附面層，使得氣流過早的與汽車車身產生分離。

圖4(c)中汽車尾部部分流線仍然附著在車身表面，沒有與后風擋完全分離，因此外形3的阻力系數最小，但是由于外形3尾部氣流的附著現象，導致外形3的升力系數大幅增加，如表1所示。由于外形1的氣流分離最為嚴重，導致外形1的氣動阻力系數最大。

表1 不同外形的氣動力系數

從表1中可以看出，外形1、外形2、外形3的氣動阻力系數差距均不大，盡管外形3阻力系數最小，但是也僅比外形1減小了0.026。

由圖4和表1的仿真結果可知，改變汽車尾部形狀，汽車的阻力并沒有明顯的改變，造成上述原因的產生主要是因為汽車前部外形設計不佳，氣流流經前風擋時已經與車身分離，因此車身后部的設計對整車的阻力的降低十分有限。

2.2 車前身外形對流場的影響

1)流場計算

設汽車尾部外形不變，車前身形狀分別如圖5所示。湍流模型和初始條件不變，汽車行駛速度為200km/h，應用CFD計算汽車的外流場，計算得到的車身壓力分布和流動狀態如圖6所示。

圖5 汽車外形輪廓圖

圖6 車身壓力分布和流線圖

2)氣動特性分析

由圖5可知，相比圖5(b)中汽車前風擋與水平面之間的夾角更小，因此氣流從引擎蓋流向前風擋時氣流流向變化更平穩。從圖6的仿真結果可知，圖6(a)中氣流流經汽車前風擋時由于流動受阻，壓力逐漸升高進而產生逆壓梯度。氣流在逆壓梯度的影響下附面層附近的氣流開始出現回流狀態，在引擎蓋與前風擋之間與遠離附面層順流的氣流形成了一個脫體渦，進而使得流經汽車前部的氣流產生流動分離現象。對比圖6(a)和(b)的計算結果，圖6(b)中產生的渦強度明顯小于圖6(a)，部分氣流流經脫體渦后重新附著于前風擋。

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圖6中兩種外形的汽車其壓力分布基本相同，計算汽車的氣動力系數如表2所示。

表2 汽車氣動力系數對比

由表2的計算結果可知，外形2的阻力系數明顯低于外形1，而由于外形2的前風擋處部分氣流重新附著，導致外形2的升力系數也存在一定的增加。

對比3.1和3.2的仿真結果，氣流流經汽車前部如果已經存在較大的氣動分離現象，則汽車后部無論怎么優化設計，汽車的氣動特性都不能得到良好的改善。此時，設計汽車前部的外形反而更能夠優化其氣動特性。

4 流線型車形流場計算與分析

由3節中的仿真結果可知，汽車前部的外形設計對其氣動特性影響十分重要。因此本章對3.1節中汽車的前部進行流線型處理，改變汽車前部的流場狀態，減小氣流分離現象，對比不同車尾外形汽車的氣動特性，進而分析車尾設計對全車氣動特性的影響。

對3.1節中汽車的外形進行流線型處理，處理后的汽車外形如圖7所示。

為了最大程度的減少氣流過早的與車身外表面分離，圖7中對車身的前后部均進行了相應的處理，設流場的初始條件和計算域的設置保持不變，汽車行駛速度均為200km/h，則計算得到的汽車外流場壓力分布如圖8所示。

圖7 汽車幾何外形

由圖8的仿真結果可知，經過流線型處理后，氣流流經汽車前部時，外形1-外形3均沒有出現明顯的氣流分離，車身表面流場流動狀態良好。圖8(a)中汽車尾部的脫體渦最小，主要由于其外凸的車尾阻隔了尾渦的匯集導致。圖8(b)中氣流在車頂后部產生分離，圖8(c)中由于汽車尾部存在斜向下的導流外形，使得氣流流經后分檔前部開始分離。

圖8 壓力分布

由圖9可知，經過流線型處理后，汽車的阻力系數明顯下降，部分車型的升力系數存在一定的升高。經過處理后，外形1的阻力系數下降的最大，由于外形1存在外凸的尾部，不但能夠將尾部氣流引流到后風擋下部，減小汽車尾部的紊流區，其突出的尾部還能夠阻擋脫體渦的提前形成[12]。而未經處理后，外形1的阻力系數最大，此時該車型的流動分離現象最為明顯，氣流在車頂后部就已完全分離，車尾外形的設計沒有任何減阻的作用。因此，在汽車外形尺寸(長、寬、高)相同時，轎車車型相比其它車型能產生更小的阻力，其油耗更低。

圖9 氣動力系數對比

同時，經過流線型處理后，外形3中氣流與車身表面分離最晚，因此其車頂低壓區最大，升力系數提高的較多，在升力系數提升的同時也導致阻力增加。因此，外形3這種車型的氣動阻力和升力都較大，非常不利于汽車的穩定駕駛。SUV車型大多與此外形相似，常用的優化設計是在車頂后部增加一小段尾翼，以此破壞氣流的附著，大幅提升汽車的氣動特性，如圖10所示。

圖10 SUV車型優化設計外形圖

5 結論

本文應用CFD對汽車的空氣動力特性進行了計算。對汽車的幾何模型進行建模，設置了計算域的初始條件設置以及湍流模型的選取，并對計算域內的網格進行了無關性處理。然后，對不同尾部外形、不同車身前部的汽車空氣動力特性進行計算，并將計算結果與車身經過流線型處理后的汽車進行對比。得到的主要結論如下：

1)氣流進過車身前部若已經產生了嚴重的分離，車尾外形的設計對整車阻力的減小會十分有限。

2)氣流進過車身前部若已經產生了嚴重的分離，車前身的設計更加重要。

3)車身經過流線型處理后會大幅減小氣流分離現象。

4)氣流經過車身前部若還保持良好的層流狀態，車尾的外形設計對減小整車的阻力十分重要。

5)相同外形尺寸在的各型汽車，轎車的阻力較小。