基于CFD的SUV及房車在流場中的 氣動性分析

張永勤

（蘭州石化職業技術大學 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730060）

汽車在行駛過程中，會與周圍空氣產生相對運動，形成對流。汽車行駛速度越快，該氣流對汽車造成的影響越大，汽車動力性及燃油經濟性問題凸顯。故汽車的設計過程必須考慮空氣對汽車的作用，研究其對汽車性能的影響，指導新產品的造型設計結構設計。

隨著高速公路的發展，汽車的動力特性在汽車行駛過程中占據主導地位，其對汽車的經濟性、動力性、操縱穩定性、行駛噪聲以及關鍵部位的熱狀態均能造成影響。眾多國內外學者通過實地試驗、數值模擬以及理論計算對汽車動力特性進行研究，其中汽車外流場分析尤為重要。隨著計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的快速發展，流場分析在交通運輸有著廣闊的應用，其主要分析流體流過汽車外表面的流動規律，此分析會對汽車外形的優化設計提供可靠的數據支撐，且相較試驗法更能降低成本。訚耀保等利用Fluent軟件以及計算流體力學對某汽車減壓閥進行了流體分析。張峰等結合三維建模軟件UG和CFD得到了氣動轎車的壓力及尾部速度分布。

本文主要針對某一運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型以及房車模型，選擇Workbench建模并利用CFD分析，模擬對比了兩車在同種工況下的壓力、速度以及風場中的湍流動能，為后續兩車的汽車車型優化設計提供參考和可靠的數據支撐。

1 SUV及房車的結構與參數

1.1 分析對象及其結構

本文選擇某一SUV車型及房車簡化三維模型，其結構如圖1所示。整車模型中部件車身為殼單元部件，車身部件采用薄板金屬材料。由于正面碰撞過程損傷破壞部位主要集中在前保險杠和擋風板，故基于建模的復雜性和提高計算效率，建模忽略了發動機、變速箱、轉向拉桿、擺臂等結構。

圖1 SUV及房車結構圖

1.2 產品工況參數

在汽車正面撞擊過程中，對整車的耐撞性起主要作用，并在碰撞中發生大變形的部件大多為薄板鋼材。這些鋼材的應力-應變關系應符合各向同性彈塑性的要求。所以材料的本構關系中應考慮到應變率效應。通常應用C-S應變率模型，該材料的本構關系體現了低碳鋼高塑性變形下的應變率特性，其表達式為

式中，為應變率；、為應變率參數；初始屈服應力；為有效塑性應變；為等效彈性模量。

本文分析的SUV及房車車況參數如表1、表2所示，表3、表4為模型材料參數，其中為密度；為彈性模量；為泊松比；為屈服強度。

表1 SUV車況參數

表2 房車車況參數

表3 SUV材料參數

表4 房車材料參數

2 三維CFD流場模擬計算理論

CFD理論建立在Navier-Stokes基本控制方程（連續性方程、動量方程、能量方程）的基礎之上，各方程如下：

連續性方程

3 流道模型建立及網格劃分

為使模擬更加接近真實值，建立長為30 000 mm、寬6 000 mm、高8 000 mm的風場模型，其三維模型圖如圖2所示。將三維模型導入ANSYS Workbench DM中反向建模生成三維內部流道模型，為了劃分四面體及六面體混合網格，需對流道模型預先進行切分如圖3所示。

圖2 風場模型

圖3 流道模型切分

模型中介質選用空氣，邊界條件施加為速度入口及壓力出口，入口施加介質流速為60 km/h，80 km/h，出口施加靜壓為大氣壓0.103 MPa。以連續性方程、三維雷諾平均N-S方程和標準k-ε雙方程為控制方程組。對流項和湍流方程的離散格式采用high resolution格式。基于CEL對風場進出口質量流量進行監測。圖4為模型的網格劃分，SUV及房車附近流道模型復雜劃分四面體網格，局部加密處理以使計算結果更加精確，其余區域劃分六面體網格，以流量值為目標對網格進行無關性檢驗。

圖4 流道模型網格劃分及進出口示意圖

4 不同工況下穩態流場計算結果分析

通過監測壓力和速度等指標對汽車外流場進行可視化分析，將對兩種車型的不同時速下的壓力、速度以及湍流能進行對比研究。

4.1 壓力場分析

圖5為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風場內壓力分布。汽車在行駛過程中車身表面壓強的分布與汽車的外形相關聯，并對汽車的動力性有直接影響。

圖5 風場壓力分布圖

分析圖5(a)(b)可知，房車頂部和底部區域壓力分布均勻，大氣壓基本維持在0.1 MPa左右，房車的車頭和尾部壓強梯度較大，且尾部壓力及作用區域更大。SUV的擋風玻璃和車頭有較大的壓強梯度，且車頭的壓力及作用區域更大，壓力梯度越大造成的能量損失越大。SUV及房車四周壓力分布不均勻，車前區域壓力較高，車頂部流線型的設計易使其局部形成低壓區，以60 km/h行駛的局部最大壓力大于以80 km/h行駛的局部最大壓力。

圖6為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面壓力分布，分析圖6（a）（b）可知，SUV壁面各處壓力分布不均，車身表面處于表面繞流中，在車頭處，局部壓力最高，這是由于風速與此區域垂直接觸，所受阻力最大；又由于氣體的接觸，氣流的流動以及能量的交換，致使處于車體迎風面的擋風玻璃壓力較大，產生氣體阻力；同時，由于輪胎旋轉易產生復雜流場造成汽車輪胎處壓力較大。

圖6 SUV壁面上壓力場分布

圖7為房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中壁面壓力分布，分析圖7(a)(b)可知，房車壁面各處壓力分布不均，車頂壓力極小，由于車頭區域風速與其垂直，車尾處受周圍流場變化的影響，車頭和在車尾區域壓力均較高。對比SUV頂部的壓力大小，可見車頂流線型的設計有利于減低車頂壁面局部壓力。

圖7 房車壁面壓力場分布

4.2 速度場分析

圖8為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風場內速度場分布，分析圖8(a)(b)可知，在整個流動區域內速度場分布相對均勻，SUV及房車壁面四周區域，由于空氣流動遇到阻力使其四周區域流速較低，特別是SUV尾部空氣流速最低。在整個流域內以60 km/h行駛的局部最大介質流速為28.85 m/s，以80 km/h行駛的局部最大介質流速為38.47 m/s。

圖8 風場速度分布圖

4.3 湍流動能分析

流體的湍流動能是衡量湍流發展或衰退的指標，圖9為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中的湍流動能分布。

圖9 風場中湍流動能分布

分析圖9(a)(b)可知，在整個風場中，SUV及房車局部附近區域湍流動能發展充分，特別是SUV尾部及底盤區域湍流動能發展最充分，兩車的行駛對整個模擬風場中的影響較小且湍流動能很小。以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為4.137 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為6.677 m/s。

圖10為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面湍流動能分布。分析圖10(a)(b)可知，SUV尾部、頂部以及底部區域動能更大，且由于與氣流接觸更加充分，車輪與車頭處的湍流動能達到最大。以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為6.182 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為9.943 m/s。

圖10 SUV壁面湍流動能分布

圖11為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中房車壁面湍流動能分布。分析圖11(a)(b)可知，由于車輪的運動以及周圍復雜氣流的變化，在房車前偏下一定區域及車胎區域附近湍流動能發展最充分，以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為1.837 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為3.061 3 m/s。由于房車跟隨在SUV后，SUV阻擋了一定的空氣流速，因此，其局部區最大湍流動能相比SUV偏低。

圖11 房車壁面湍流動能分布

5 結論

通過ANSYS Workbench建模和CFD模擬軟件計算，分析SUV及房車的流場可得出，在SUV與房車前后及頂部一定區域內，壓力、速度、湍流動能分布均勻，SUV及房車壁面車頭及車尾處有壓力集中現象，其附近壓力、速度、湍流動能分布相差較大。兩種不同速度（60 km/h、80 km/h）行駛工況下流場內各參數值分布規律在整個流域的分布區域大致相同，SUV以60 km/h行駛時的最大湍流動能為6.182 m/s，80 km/h時最大湍流動能為9.943 m/s；房車以60 km/h行駛時的最大湍流動能為1.837 m/s，80 km/h時最大湍流動能為3.061 3 m/s。以60 km/h行駛流場內的壓力、速度、湍流動能整體小于以80 km/h行駛流場內的壓力、速度、湍流動能。