李楚琳，李堰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

車身外流場數(shù)值模擬

李楚琳，李堰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

對(duì)某轎車車身的外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了后風(fēng)窗斜度對(duì)車身空氣動(dòng)力性能的影響。采用Hypermesh得到高質(zhì)量的流場計(jì)算網(wǎng)格，運(yùn)用Fluent求解計(jì)算，得到流場的CFD分析數(shù)據(jù)。利用HyperMorph實(shí)現(xiàn)車身網(wǎng)格的變形，在此基礎(chǔ)上分析后風(fēng)窗斜度對(duì)車身空氣動(dòng)力性能的影響。結(jié)果表明，小斜背的阻力系數(shù)較小；不是所有斜背汽車在后風(fēng)窗斜度為30°時(shí)都會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)阻力系數(shù)峰值現(xiàn)象。本文所介紹方法可以應(yīng)用于汽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，完善汽車的空氣動(dòng)力性能。

車身外流場；數(shù)值模擬；后風(fēng)窗斜度

隨著汽車行駛速度的提高，汽車的空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性的影響也越來越顯著。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬汽車外流場，因?yàn)榫哂锌深A(yù)先研究、不受條件限制、信息豐富、成本低和周期短等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車外流場的研究。本文以某轎車為例，對(duì)外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了車身外形參數(shù)對(duì)空氣動(dòng)力性能的影響。

1 車身外流場的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

考慮到計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，對(duì)實(shí)車模型作了簡化處理，省略了車燈、門把手、后視鏡、保險(xiǎn)杠、車輪等，并對(duì)車身底部作了平整處理。

1.2 計(jì)算域的確定

參照文獻(xiàn)［2］，計(jì)算域取車身前方1倍車長，車身側(cè)面2倍車寬、車身后方3倍車長，高度為4倍車身高。計(jì)算域如圖1所示。

圖1 計(jì)算域

1.3 網(wǎng)格模型的建立

在計(jì)算區(qū)域模型生成后，要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行離散化，即生成車身外流場的網(wǎng)格模型。在網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

1）網(wǎng)格應(yīng)力求簡單并貼體。2）在有渦區(qū)，網(wǎng)格要有適當(dāng)?shù)拿芏取?）在圓弧過渡處，網(wǎng)格要加密。4）汽車幾何形狀復(fù)雜，求解區(qū)域較大，應(yīng)按照離車身距離的不同來劃分網(wǎng)格。

另外，為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，采用HyperMesh進(jìn)行前處理。考慮到車身外流場的邊界層對(duì)汽車的空氣動(dòng)力性能有很大的影響，邊界層的網(wǎng)格采用五面體和六面體網(wǎng)格，而其他區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。并且邊界層的網(wǎng)格更加密集。流場網(wǎng)格縱切面和邊界層網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格縱切面和邊界層網(wǎng)格

1.4 流體介質(zhì)特性

流體介質(zhì)是空氣，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，海平面高度、15°C時(shí)的密度為1.225 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為1.4607×10-5m2/s。當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，可以認(rèn)為空氣是不可壓縮氣體，因此在此將車身外流場的流動(dòng)視為定常、不可壓縮三維流場且按湍流處理。

1.5 邊界條件及初始條件設(shè)定

進(jìn)口設(shè)為速度入口邊界，沿運(yùn)動(dòng)方向的速度取30 m/s，而另外兩個(gè)方向的速度分量為0。 出口為壓力出口邊界，相對(duì)壓力為0。各壁面滿足無滑移邊界條件，速度為零。壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，分別取k為0.024,ε為0.01。

由于是不可壓縮流體，故選擇分離式求解器，不激活能量方程。

1.6 車身外流場計(jì)算結(jié)果

在Fluent中求解，計(jì)算結(jié)果收斂。圖3為車身外流場壓力云圖以及縱對(duì)稱面流線圖。

在車身正前方氣流受阻，壓強(qiáng)大，為正壓區(qū)，氣流分為2股，上部氣流受到車頭吸力峰的作用，流速加大，壓強(qiáng)為負(fù)壓。在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上部，由于前擋玻璃的作用，產(chǎn)生正壓區(qū)，發(fā)生氣流分離，在前擋玻璃頂部氣流再次附著，當(dāng)車頭造型不理想時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩的上部會(huì)存在一較大的氣流分離區(qū)，車頭也會(huì)存在較大的正壓區(qū)。在客艙頂部，因?yàn)檐図斘Ψ宓淖饔?，流速達(dá)到最大，壓強(qiáng)為負(fù)壓。在尾部行李箱蓋上部和汽車后部，出現(xiàn)高壓區(qū)，發(fā)生氣流分離，并在尾部形成尾流，尾流是造成汽車空氣阻力的主要原因。尾部造型不理想的汽車，會(huì)出現(xiàn)較大的尾流區(qū)。

圖3 壓力云圖和縱對(duì)稱面流線圖

由壓力云圖可看出，車身上部和底部之間存在壓強(qiáng)差，這種壓強(qiáng)差形成了汽車的升力，同時(shí)，也可看出，前擋玻璃前存在正壓區(qū)，此正壓區(qū)對(duì)于阻力特性而言，是不利的，但是有助于減小汽車的升力。

由流速流線圖可看出，在汽車的尾部有一段死水區(qū)存在，在死水區(qū)的氣流的流動(dòng)是非常復(fù)雜的，死水區(qū)內(nèi)存在著大尺寸的渦旋。在距離汽車一定距離上，氣流出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象，從這個(gè)位置開始，隨著距離的增大，速度損耗越來越小，直到距離汽車很遠(yuǎn)處速度接近來流速度。從這個(gè)位置向前，是大面積的倒流區(qū)，速度變化很大，在這個(gè)距離內(nèi)存在著2個(gè)渦旋。一個(gè)渦旋在上，成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)在下面，成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2 后風(fēng)窗斜度對(duì)氣動(dòng)性能的影響

由于汽車的尾部形狀對(duì)汽車的空氣動(dòng)力性能具有較大的影響，理想的尾部形狀是汽車造型設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)，而后風(fēng)窗斜度是氣動(dòng)阻力的主要因素之一，在此，分析通過數(shù)值模擬的方法分析后風(fēng)窗斜度對(duì)氣動(dòng)性能的影響。

2.1 改變尾部形狀

利用HyperWorks中的HyperMorph模塊可以根據(jù)需要自動(dòng)均勻?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格形狀的改變。首先建立控制域和相應(yīng)的控制柄，通過操縱控制柄可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格形狀的改變。

在此，改變汽車后風(fēng)窗的斜度，得到4個(gè)不同的尾部形狀，如圖4所示，進(jìn)而得到不同的流場網(wǎng)格，最后分別進(jìn)行求解計(jì)算。

圖4 域、控制柄和后風(fēng)窗形狀的改變

2.2 結(jié)果分析比較

2.2.1 空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)

不同后風(fēng)窗斜度對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)如表1所示。

表1 空氣阻力系數(shù)和升力系數(shù)

本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，簡化了車燈、門把手、后視鏡、保險(xiǎn)杠、車輪等，還對(duì)車身底部作了平整處理，沒有進(jìn)行車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和地面移動(dòng)的模擬，這些對(duì)整車升力和氣動(dòng)阻力都有較大影響，所以得得到的阻力系數(shù)和升力系數(shù)均較小，接近于理想值。

通過對(duì)汽車后風(fēng)窗改型后的汽車車身外流場數(shù)值模擬得到該車的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)隨后風(fēng)窗斜度的變化規(guī)律。由于對(duì)后風(fēng)窗斜度的改變不大，阻力系數(shù)和升力系數(shù)的改變不明顯。由表1得出：1）此車身的升力系數(shù)很小，較好地解決了升力問題，在30°時(shí)得到升力系數(shù)CL的最小值；2）氣動(dòng)阻力系數(shù)CD在一定范圍內(nèi)隨著斜度的增大而增大，小斜背的阻力系數(shù)較?。?）在原型基礎(chǔ)上減小斜度后，阻力系數(shù)減小，但是升力系數(shù)增大；4）在30°（原型）時(shí)，并未出現(xiàn)文獻(xiàn)［1］所述的氣動(dòng)阻力系數(shù)峰值現(xiàn)象，這是由于此車身尾部帶有較為理想的錐度［1］。因此，綜合考慮阻力系數(shù)和升力系數(shù)，后風(fēng)窗斜度為30°（原型）的車身具有較優(yōu)的空氣動(dòng)力性能。

2.2.2 尾部速度云圖

圖5為4種后風(fēng)窗斜度的車尾對(duì)應(yīng)的縱對(duì)稱面的速度云圖。由圖可知，4種不同形狀車尾尾部渦流的形成、發(fā)展和耗散的過程很相似。斜度25°和30°的尾部邊界層的分離較遲，具有較小的尾流區(qū)域。斜度35°的尾流區(qū)較大，斜度40°的尾部邊界層過早分離，尾流區(qū)最大，引起較大的空氣阻力系數(shù)。因而從速度云圖上可以得出與表1相似的結(jié)論，即斜度25°和30°時(shí)具有較小的空氣阻力。

圖5 不同形狀尾部的速度云圖

綜合考慮表1中氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，比較4種不同形狀尾部的流場，可知：后風(fēng)窗斜度為30°（原型）的車身空氣阻力系數(shù)與升力系數(shù)均較小，為較優(yōu)方案。

從尾部速度分布和壓力分布可以看出，改型后尾部流場中漩渦區(qū)和尾部后面的正壓區(qū)都明顯增大，當(dāng)汽車后風(fēng)窗斜度為30°時(shí)，尾部漩渦區(qū)和正壓區(qū)均是最小的，有效控制了漩渦區(qū)的流動(dòng)，減少氣流在此區(qū)的能量消耗，從而降低汽車的氣動(dòng)阻力和升力。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)某轎車的車身外流場和氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析和研究。經(jīng)過研究，得到如下結(jié)論：

1）氣動(dòng)阻力系數(shù)CD在一定范圍內(nèi)隨著斜度的增大而增大，小斜背的阻力系數(shù)較?。?/p>

2）不是所有的斜背式轎車在后風(fēng)窗斜度為30°時(shí)都會(huì)出現(xiàn)氣動(dòng)阻力系數(shù)峰值問題，帶尾錐度的斜背就可以避免氣動(dòng)阻力系數(shù)峰值現(xiàn)象；

3）本文所分析的車身較好地解決了阻力和升力問題，具有較優(yōu)的空氣動(dòng)力性能；

4）采用Hypermesh可以得到高質(zhì)量的流場計(jì)算網(wǎng)格，HyperMorph可用來實(shí)現(xiàn)汽車車身網(wǎng)格的變形，并在此基礎(chǔ)上定義形狀變量。

5）本文所介紹方法可以應(yīng)用于汽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，完善汽車的空氣動(dòng)力性能。

在進(jìn)一步的研究中，可采用HyperMorph定義形狀變量，結(jié)合Fluent和Hyperstudy實(shí)現(xiàn)車身的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社,2001.

［3］謝金法.高速轎車車身繞流場的三維數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［J］.長春：吉林工業(yè)大學(xué),2000.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

Numerical Simulation of Outer Flow Fields for Car Body

Li Chulin,Li Yan
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

The outer flow fields of a car body are numerically simulated in Fluent and the influence of the slope of the rear windshield on aerodynamic property is analyzed.The grid of the flow field is got in HyperMesh,the simulation problem is calculated in Fluent,and the CFD data of the car is obtained.The slope of the rear windshield is changed by using HyperMorph and the influence of that on aerodynamic property is analyzed.The result shows that the cars with smaller slope of the rear windshield have smaller drag factor,and not all of cars with inclined back reaches the peak of drag factor when the slope of the rear windshield is about 30°.This study is beneficial to designing car bodies and improving the aerodynamic property of cars.

outer flow of car body;numerical simulation;slope of rear windshield

U463.82+1

A

1008-5483（2011）02-0009-03

2011-03-21

湖北省教育廳重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目（B200623009）

李楚琳（1969-），女，湖北麻城人，副教授，從事汽車CAD與CAE方面的研究。