許建民， 易際明， 趙 軍， 丁 濤

(廈門理工學(xué)院機(jī)械工程系， 福建 廈門 361024)

0 前 言

汽車空氣阻力主要由壓差阻力、內(nèi)流阻力、誘導(dǎo)阻力和摩擦阻力等構(gòu)成.壓差阻力對(duì)空氣阻力影響最大，約占85%.要減小汽車的空氣阻力，必須對(duì)汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行較為詳細(xì)的研究.汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性對(duì)汽車行駛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性有非常重要的影響.與風(fēng)洞試驗(yàn)法相比，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法研究汽車行駛中的外流場(chǎng)周期短、費(fèi)用低，因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.CFD方法對(duì)于預(yù)測(cè)和改進(jìn)汽車的氣動(dòng)性能、指導(dǎo)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義.用CFD技術(shù)研究汽車流場(chǎng)不僅費(fèi)用低、周期短，而且對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)在某種意義上比實(shí)驗(yàn)更深刻、更細(xì)致，不僅可以了解運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而且可以了解整體的與局部的細(xì)致過(guò)程，因此越來(lái)越受到了人們的重視[1-4].

1 流動(dòng)數(shù)學(xué)模型[5]

1.1 流動(dòng)控制方程

任何流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)都是由質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律所確定的，由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程.即N-S方程組.對(duì)穩(wěn)定可壓多維流動(dòng)，有以下雷諾平均的質(zhì)量、動(dòng)量恒方程：

(1)

(2)

其中si為源項(xiàng)，這里表示催化器載體阻力；τij為應(yīng)力張量，對(duì)牛頓流有：

(3)

(4)

1.2 湍流模型

采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型計(jì)算雷諾應(yīng)力來(lái)封閉上述流動(dòng)控制方程，即有：

(5)

式中μt為湍流粘性系數(shù)，由下式給出：

(6)

κ、ε分別為湍動(dòng)能和湍能耗散率，它們的輸運(yùn)控制方程為：

(7)

(8)

式中，μeff=μ+μt；cμ、σk、σε、cε1、cε2和cε4各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按表1確定.

表1 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它包括很多方面的內(nèi)容，如幾何物理模型的準(zhǔn)確性、網(wǎng)格系統(tǒng)的質(zhì)量、湍流模型的選取、差分格式的構(gòu)造、邊界條件的添加等.在不改變流體軌跡整體走向的情況下，將幾何模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化,如車燈、后視鏡、門把手凹陷處等部件,并以平整面替換車底的真實(shí)凸凹形狀.流線型汽車三維模型如圖1所示.

圖1 流線型汽車的三維模型圖

首先利用三維軟件UG建立流線型汽車模型，導(dǎo)入CFD軟件Fluent的前處理軟件Gambit，建立數(shù)值模擬計(jì)算域空間后進(jìn)行網(wǎng)格化.網(wǎng)格力求簡(jiǎn)單，便于求解，網(wǎng)格復(fù)雜時(shí)則可能導(dǎo)致求解不精確甚至不穩(wěn)定.計(jì)算網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬過(guò)程中最為耗時(shí)的部分，同時(shí)網(wǎng)格的質(zhì)量在很大程度上決定了數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度甚至數(shù)值模擬能否收斂.在本次數(shù)值模擬中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格的疏密控制，對(duì)每一條控制線單獨(dú)進(jìn)行一維的網(wǎng)格劃分，再對(duì)各個(gè)面和體用手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分相結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)格劃分.轎車的外流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分單元總數(shù)最終為364 097.計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ面網(wǎng)格圖如圖2所示.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，流場(chǎng)仿真計(jì)算所取的計(jì)算域到達(dá)一定的大小時(shí)，汽車的流場(chǎng)就不再受計(jì)算域大小的限制.假設(shè)汽車模型長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，高為H，則計(jì)算域的取法為汽車前部取3L，側(cè)面取4W，上部取4H，汽車后部取6L.風(fēng)洞模型網(wǎng)格圖如圖3所示.

2.2 邊界條件設(shè)定

在Fluent中選擇3D求解器.計(jì)算區(qū)域入口處的邊界條件為V=50 m/s((對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為8.6×105),出口處的邊界條件給定壓力邊界條件, 即出口相對(duì)于遠(yuǎn)方流處的壓力為0.通道壁面、地面和車身表面均為無(wú)滑動(dòng)墻面.流動(dòng)能K取0.024, 流耗散率取0.01.

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算模擬, 可以得出流線型汽車模型的外圍流場(chǎng)情況, 包括任意截面上的流速矢量圖和壓力分布圖.通過(guò)表面積分計(jì)算可得出氣動(dòng)力的6個(gè)分量，并且可以得到汽車模型的阻力系數(shù)和升力系數(shù)等空氣動(dòng)力特征參數(shù).圖4為汽車模型對(duì)稱面上的壓力分布云圖.圖5為車身表面壓力分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)流線型汽車模型的前部表面壓力最大，為1 950 Pa，車身正向迎風(fēng)面基本處在范圍在600～1 950 Pa的正壓區(qū)，因?yàn)闅饬髟谄嚽安渴艿搅撕艽蟮淖璧K.另外發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)擋玻璃的轉(zhuǎn)折處也出現(xiàn)了一個(gè)比較大的正壓區(qū)，壓力為589 Pa，因?yàn)闅饬髟诖颂幮纬闪溯^強(qiáng)的渦流.車身頂部出現(xiàn)了非常明顯的負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓最大值為-2 420 Pa，汽車底部的壓力處在-1 260～-1 337 Pa的范圍，汽車底部與汽車頂部的壓力差形成升力.流線型汽車模型尾部的壓力值在450 Pa左右，它和汽車前部表面壓力之差即為壓差阻力.這部分阻力占總阻力的主要部分，要想降低汽車的氣動(dòng)阻力，必須設(shè)法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力.

圖2 計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ面網(wǎng)格圖 圖3 風(fēng)洞模型網(wǎng)格圖

圖4 對(duì)稱面上的壓力分布云圖 圖5 車身表面的壓力分布云圖

圖6為流線型汽車模型對(duì)稱面上的氣流速度分布云圖.圖7為流線型汽車模型對(duì)稱面上的速度矢量圖.

圖6 對(duì)稱面上的氣流速度分布云圖 圖7 對(duì)稱面上的速度矢量圖

從圖6中可以看出汽車前部和汽車尾部氣流速度均接近于零.汽車頂部的氣流速度值最大，汽車底部氣流速度值也比較大，但是比頂部氣流速度要小.在擋風(fēng)玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的轉(zhuǎn)折處氣流速度較小，因?yàn)闅饬魇艿搅藫躏L(fēng)玻璃的阻擋.從圖7可以看出，遠(yuǎn)方來(lái)流首先遇到汽車頭部頂點(diǎn)，在此處，氣流大量阻塞，來(lái)流速度變?yōu)榱?，形成了一個(gè)比較大的阻滯區(qū).然后氣流分成上下兩部分，一部分流向車頂，一部分流向車底部.上部氣流在車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣開(kāi)始提速，但很快受到擋風(fēng)玻璃的阻擋形成了一個(gè)小的阻滯區(qū)，然后又不斷加速，到前風(fēng)窗后緣與頂蓋前緣的交界處達(dá)到最大值，之后氣流速度下降，但是維持在一個(gè)比較大的數(shù)值上.頂蓋附近氣流經(jīng)過(guò)后風(fēng)窗上時(shí)，由于后風(fēng)窗傾斜度及表面曲率較大，導(dǎo)致逆壓梯度過(guò)大，因而使氣流很快發(fā)生了分離，同時(shí)在尾部形成了一個(gè)渦流區(qū).在車尾部有負(fù)的速率分布區(qū)，即回流區(qū).本車身流線清晰、穩(wěn)定、層次分明，這說(shuō)明本車外流場(chǎng)層流多、湍流較少，此車的整體氣動(dòng)造型較為成功.汽車前部與頂部的流場(chǎng)比較穩(wěn)定，但是在尾部還是發(fā)生了氣流分離，形成了一個(gè)湍流區(qū).經(jīng)過(guò)計(jì)算得出該模型的阻力系數(shù)為0.28，升力系數(shù)為-0.035.

3 結(jié) 論

(1)汽車前部的正壓和汽車尾部形成的負(fù)壓之差就是壓差阻力，氣流分離形成渦流是產(chǎn)生壓差阻力的主要原因,減小氣流分離是減小阻力的主要手段.

(2)汽車車身上表面和汽車底部的壓力之差形成了汽車升力.

(3)利用CFD方法研究汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性可以為優(yōu)化汽車的氣動(dòng)特性提供理論和直觀依據(jù).

參考文獻(xiàn)

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