江 洪，唐 鵬

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

轎車車身外流場的CFD 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

江 洪，唐 鵬

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

基于CFD數(shù)值仿真，選用Realizable κ-ε湍流模型和非對稱壁面函數(shù)，建立一款轎車的外流場模型，對該款車的外部流場情況進(jìn)行分析，并和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果做了對比。結(jié)果表明:CFD仿真計算得出的風(fēng)阻系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測定值誤差在5%左右，可滿足工程需要。測試點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)值有一定誤差，但趨勢基本吻合。

汽車;空氣動力學(xué);計算流體動力學(xué)仿真;風(fēng)洞試驗(yàn)

空氣動力學(xué)特性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性與安全性［1］。目前對于汽車外部流場的研究，主要運(yùn)用試驗(yàn)法、理論分析法和CFD數(shù)值仿真法。試驗(yàn)法主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)和道路試驗(yàn)對汽車的空氣動力特性進(jìn)行分析和研究，依賴試驗(yàn)設(shè)備和場地，一直以來是我國汽車動力學(xué)發(fā)展的瓶頸，隨著湖南大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室等的建成，我國在空氣動力學(xué)試驗(yàn)研究方面與發(fā)達(dá)國家的差距正在縮小。理論分析是通過科學(xué)抽象，利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計算，得出的理論結(jié)果。由于受到計算工具和求解方法的限制，往往使用較為簡單的數(shù)學(xué)模型和工程經(jīng)驗(yàn)公式。對于汽車外流場的復(fù)雜情況，理論分析結(jié)果無法達(dá)到工程分析需要。CFD數(shù)值仿真法以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)計算求解依靠計算機(jī)完成，大大提高了計算的周期性和準(zhǔn)確性，其計算結(jié)果為汽車設(shè)計前期造型提供了依據(jù)，減少了后期的設(shè)計變更，節(jié)省了大型試驗(yàn)而花費(fèi)的巨大財力、人力和物力。筆者利用CFD數(shù)值仿真方法對某汽車公司開發(fā)的一款轎車進(jìn)行了空氣動力學(xué)分析，得到了阻力系數(shù)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流體控制方程

由于國內(nèi)普通轎車在使用過程中行駛速度一般不超過200 km/h，根據(jù)馬赫數(shù)計算公式M=U/C(C為音速)，其馬赫數(shù)不超過0.16，當(dāng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1時，流體的可壓縮性及壓力脈動對密度變化影響都可以忽略，因此對于該款轎車外流場的分析給定的入口速度為34 m/s，為不可壓縮流。所用數(shù)學(xué)模型為描述流體運(yùn)動基本規(guī)律的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型。設(shè)一個通用變量φ代表任意的單位質(zhì)量物理量(可以代表坐標(biāo)系3個方向速度u、ν、w和溫度T等求解變量)，通用控制微分方程采用直角坐標(biāo)系的張量形式表示［2］:

由于本次分析僅限于穩(wěn)態(tài)不可壓流體，故略去方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)。

1.2 湍流模型

Realizable κ -ε 湍流模型由 SHIH，等［3］于1995年提出，其認(rèn)為湍動渦黏系數(shù)計算式中的系數(shù)Cμ不是常數(shù)，而與應(yīng)變率有關(guān)。Realizable κ-ε湍流模型可用于各種不同類型的流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、有噴射和混合流的自由流、管道內(nèi)流動、邊界層流動，以及帶有分離的流動，很適合汽車外部流場的模擬。在Realizable κ-ε中關(guān)于湍動能κ和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程如下:

1.3 壁面方程

Realizable κ-ε模型屬于高Re數(shù)的湍流模型，針對充分發(fā)展的湍流，只能用于求解處于湍流核心區(qū)的流動，在本次數(shù)值仿真模型中，由于流體在近壁區(qū)內(nèi)的流動，Re數(shù)較低，湍流發(fā)展并不充分，湍流的脈動影響不如分子黏性的影響大，這樣就不能使用所建立的Realizable κ-ε模型進(jìn)行計算，因此筆者用引入壁面函數(shù)法來解決近壁區(qū)及低Re數(shù)情況下的流動計算問題。壁面函數(shù)是對近壁區(qū)的半經(jīng)驗(yàn)描述，用于將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)的待求的未知量直接聯(lián)系起來［4］。非對稱壁面函數(shù)適合在壁面附近存在很大梯度、回流等流動問題的求解，對于汽車外流存在分離和回流的情形能很好預(yù)測，該模型對貼近壁面的網(wǎng)格要求用y+來反映，計算公式為:

式中:δn為貼近壁面的網(wǎng)格離壁面的距離;ν為運(yùn)動黏度;ρ為密度;Cμ=0.09。

2 CAD模型、網(wǎng)格及邊界條件

2.1 CAD 模型

本次數(shù)值仿真分析所采用的CAD模型是該款轎車的外A面數(shù)模，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，必須對CAD數(shù)模進(jìn)行簡化處理，將外A面導(dǎo)入CATIA軟件，做如下處理:省略外開手柄、天線、部分車燈，對前格柵進(jìn)氣口在保證造型不改變的前提下用曲面進(jìn)行替換，對底盤進(jìn)行平整處理，對外A面零件分塊處的縫隙用曲面閉合，對車輪車身等部位進(jìn)行簡化處理，如圖1。通過以上這些處理，所得到的車身模型在進(jìn)行CFD仿真時，對外流場的總體特性影響較小，但可以提高網(wǎng)格劃分的效率，縮短求解周期。

圖1 CAD模型Fig.1 CAD model

2.2 計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

對與該車型計算區(qū)域的確定，根據(jù)國外學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，流場仿真計算時所取的計算區(qū)域到一定大小時，汽車的流場就不再受計算區(qū)域大小的限制［5］。同時考慮到汽車在行駛過程中，尾部氣流對汽車的空氣動力特性影響較大，并且在汽車尾部很長一段距離內(nèi)存在，因此在計算區(qū)域設(shè)定時，將汽車尾部取較長的距離。該車型的計算區(qū)域選定為:車身頭部2個車長，車身尾部4個車長，車身頂部4個車高，車身側(cè)面3個半車寬，如圖2。

圖2 計算區(qū)域Fig.2 Calculation region

將模型導(dǎo)入前處理軟件HYPERMESH，采用三角形面網(wǎng)格對車身表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體面網(wǎng)格尺寸采用15～20 mm，對局部氣流變化比較劇烈的部位將網(wǎng)格加密，在后視鏡處采用尺寸為5 mm網(wǎng)格劃分，車身尾部、頭部進(jìn)氣隔柵、發(fā)動機(jī)蓋以及雨刮附近采用尺寸為10 mm網(wǎng)格劃分，如圖3。

圖3 車身表面網(wǎng)格Fig.3 Surface grid of car’s body

通過生成的三角形面網(wǎng)格，在計算區(qū)域生成四面體網(wǎng)格單元，在車身表面生成3層邊界層，邊界層的第1層網(wǎng)格是1 mm厚，并以1.2的比例增長，本次仿真整個計算域生成共約300萬體網(wǎng)格，如圖4。

圖4 計算區(qū)域體網(wǎng)格Fig.4 Hexahedral grid of calculation region

2.3 邊界條件

1)進(jìn)口面:給定入口速度V=30 m/s，湍流強(qiáng)度(速度波動的均方根與平均速度的比值)為0.8%，湍動能尺度L=0.01 m;

2)出口面:Gradient=0;

3)頂面、側(cè)面和地面:wall邊界條件;

4)初始條件:壓力P=101 325 Pa，空氣密度ρ=1.205 kg/m3，溫 度 T=293 K，湍 動 能 R=1 m2/s2，湍動能尺度L=0.01 m，坐標(biāo)系3個方向速度 u=34 m/s，ν=W=0。

3 仿真結(jié)果及分析

將通過前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型，導(dǎo)入CFD求解軟件中，通過后處理軟件對求解結(jié)果進(jìn)行處理，得到如下計算結(jié)果。

3.1 對稱面速度分布

如圖5，氣流經(jīng)過車身后，在尾部發(fā)生了分離，出現(xiàn)渦流。

3.2 流線分布

如圖6，車體表面流線比較順暢，車身外形設(shè)計較好。

如圖7，氣流在后視鏡發(fā)生分離，出現(xiàn)渦流。在車身尾部出現(xiàn)較大渦流，形成較大壓力差。

圖7 外后視鏡及車身尾部流線分布Fig.7 Streamline distribution of outside rear－view mirror and car’s tail

3.3 壓力分布

如圖8，從壓力分布可以看出，從發(fā)動機(jī)蓋板邊緣到保險杠下邊緣處壓力較大，有助于氣流通過隔柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，利于冷卻。前風(fēng)擋下邊緣和輪胎的迎風(fēng)面壓力也較大。

圖8 對稱面及車身表面壓力分布Fig.8 Pressure distribution of symmetry plane and car’s surface

如圖9，后視鏡迎風(fēng)面壓力較大，將引起較大的風(fēng)噪。

3.4 風(fēng)阻系數(shù)

風(fēng)阻系數(shù)計算公式如下:

式中:F為x方向空氣阻力;A為x方向投影面積;υ為流體流速;ρ為空氣密度。

根據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果，得到如下數(shù)據(jù):

空氣阻力:477.795 N;風(fēng)阻系數(shù):0.315。

圖9 后視鏡表面壓力分布Fig.9 Streamline distribution of outside rear－view mirror surface

4 風(fēng)洞試驗(yàn)及結(jié)果對比

4.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

汽車風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成，如圖10。

圖10 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)Fig.10 Wind tunnel structural figure

洞體有一個能對模型進(jìn)行必要測量和觀察的實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩(wěn)定段，使氣流加速到所需流速的收縮段，使氣流得到梳理與和勻的蜂窩器和阻尼網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)段下游有降低流速、減少能量損失的擴(kuò)壓段。

驅(qū)動系統(tǒng)包括軸流風(fēng)機(jī)和路面移動系統(tǒng)，通過調(diào)速裝置，可以使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生0～60 m/s連續(xù)可變的風(fēng)速，路面移動系統(tǒng)可以模擬真實(shí)路面行駛。

測量控制系統(tǒng)其作用是按預(yù)定的實(shí)驗(yàn)程序，控制各種閥門、活動部件、模型狀態(tài)和儀器儀表，并通過氣動力天平、壓力和溫度等傳感器，測量氣流參量、模型狀態(tài)和有關(guān)的物理量。風(fēng)洞的風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)監(jiān)控全部集中在主控制室的計算機(jī)控制平臺。

風(fēng)洞試驗(yàn)對于驗(yàn)證CFD數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性是非常必要的，本次風(fēng)洞試驗(yàn)所選用的油泥模型如圖11。

圖11 試驗(yàn)使用的油泥模型Fig.11 Clay model in the experiment

此次風(fēng)洞試驗(yàn)使用汽車專用六分量氣動天平，通過氣動天平可以測量在特定風(fēng)速下，模型所受到的空氣動力和力矩，同時為了驗(yàn)證CFD數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，在車身的頭部上進(jìn)氣口、下進(jìn)氣口和雨刮附近分別布置了10個測點(diǎn)，測試這3個位置流場的壓力情況，與CFD數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行比對，如圖12。

圖12 壓力傳感器測試點(diǎn)Fig.12 Pressure sensor observation point

4.2 結(jié)果對比

試驗(yàn)結(jié)果顯示，該車油泥模型的風(fēng)阻系數(shù)為0.298，測試點(diǎn)靜壓力與CFD數(shù)值仿真結(jié)果比較如圖13～圖15。

從圖13～圖15看出，上進(jìn)氣口的CFD仿真計算值和試驗(yàn)值偏差較大，下進(jìn)氣口的CFD仿真計算值和試驗(yàn)值比較接近，雨刮附近CFD仿真計算值和試驗(yàn)值也有一定差別，但趨勢較為吻合。

通過比較CFD數(shù)值仿真結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，阻力系數(shù)的誤差在5%左右，2種方法在幾個區(qū)域測點(diǎn)的壓力分布趨勢較為吻合，但是由于選點(diǎn)位置差異、CFD仿真計算本身誤差、風(fēng)洞洞壁干擾、測試儀器校定等原因，測點(diǎn)試驗(yàn)值和計算值之間還存在一定誤差。上述的CFD仿真計算結(jié)果已經(jīng)基本可以滿足工程精度需要，如果想進(jìn)一步提高CFD仿真計算精度，可以再細(xì)化網(wǎng)格，增加網(wǎng)格數(shù)，選取更合理的邊界條件，選擇更精確的湍流模型。

5 結(jié)論

1)通過CFD軟件對某款轎車外形進(jìn)行了三維流場模擬，通過圖形化直觀地顯示該款轎車外形的空氣動力學(xué)性能。

2)在風(fēng)洞試驗(yàn)中設(shè)置測試點(diǎn)，通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到風(fēng)阻系數(shù)和測試點(diǎn)靜壓力與CFD數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對提高CFD數(shù)值仿真準(zhǔn)確性起到重要的參考作用。

3)CFD數(shù)值仿真與模擬試驗(yàn)法、理論分析3者之間相輔相成，理論分析提供CFD數(shù)值仿真法的理論基礎(chǔ)，模擬試驗(yàn)法通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和推理，得出大量的重要結(jié)論，不斷揭示出各種氣動現(xiàn)象，這又推動了汽車空氣動力學(xué)理論研究的發(fā)展，同時模擬試驗(yàn)對CFD數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，促進(jìn)CFD數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性。CFD數(shù)值仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)相互結(jié)合，可以有效減少風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)和時間，降低整車開發(fā)費(fèi)用，縮短整車開發(fā)周期。隨著CFD數(shù)值仿真技術(shù)的成熟，將來的風(fēng)洞試驗(yàn)將更多地用于驗(yàn)證和完善理論上的推斷。

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

［2］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［3］Shih Tsan-hsing，Willian W.Liou，Aamir Shabbir，et al.A new κ-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows comput fluids［J］.Computers ＆ Fluids，1995，24:227-238.

［4］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］呂明忠，高教岳，傅立敏.計算機(jī)數(shù)值仿真在汽車外流場分析方面的應(yīng)用研究［J］.計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2002，14(2):181-184.

LV Ming-zhong，GAO Jiao-yue，F(xiàn)U Li-min.Computer numerical simulation for the analysis of automotive external flow field［J］.Journal of Computer-aided Design Computer Graphics，2002，14(2):181-184.

CFD Simulation and Experiment Verification of Exterior Flow Field of a Car Body

JANG Hong，TANG Peng
(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120，China)

Based on CFD numerical simulation and adopting Realizable κ - ε model and non—equilibrium wall function，the model for the body surface and its exterior flow field of an automobile was established;exterior flow field of an automobile was analyzed after comparison to that from wind—tunnel test.The results demonstrated that the difference between simulation and test results for drag coefficient was only 5.4%，therefore it could satisfy the engineering demand.There was discrepancy between measure unit and experiment，but the trend was identical.

automobile;aerodynamics;CFD simulation;wind-tunnel test

U461.1

A

1674-0696(2011)03-0470-06

2011-01-10;

2011-02-25

江 洪(1972-)，男，重慶人，副教授，主要從事職業(yè)教育及車輛工程應(yīng)用研究。E-mail:jiang-hongl@126.com。