□ 劉海波 □ 辛 舟 □ 馮國(guó)慶 □ 宋西華 □ 張德鵬

蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

汽車行駛時(shí)氣流的作用主要是產(chǎn)生升力和阻力，對(duì)于高速行駛的汽車，良好的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性是安全行駛的前提。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)，具有周期短、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，且比風(fēng)洞試驗(yàn)更細(xì)致，因此得到了越來越廣泛的重視［1-3］。

1 汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

在汽車空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，計(jì)算模擬方法的實(shí)質(zhì)就是把描述空氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散成大型代數(shù)方程組，建立可在計(jì)算機(jī)上求解的算法［4］。

1.1 基本控制方程

基本控制方程包含連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，由于能量方程是流體流動(dòng)與傳熱問題的基本控制方程，對(duì)于汽車外流場(chǎng)，熱交換量很小，可以忽略，故在仿真過程中不考慮能量守恒方程，只需聯(lián)合求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程［5-6］。

1.2 湍流模型

汽車外流場(chǎng)的湍流解析模型主要包括單方程模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型、RNG k-ε 模型、Realizable k-ε 模型以及大渦模擬。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn) k-ε模型對(duì)于三維流場(chǎng)精度是不高的，且Realizable k-ε模型收斂性較RNG k-ε模型要好，所以本文選擇Realizable k-ε模型。

2 SUV運(yùn)動(dòng)型多用途車幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1 CAD幾何模型建立

因?yàn)楸敬窝芯總?cè)重于車身造型對(duì)汽車氣動(dòng)特性的影響，所以在不影響車身擾流整體走向的前提下，對(duì)車身模型作簡(jiǎn)化處理，省略車燈、后視鏡、門把手凹陷處及輪胎等車身外部的突出部件，同時(shí)對(duì)車底部做了平整處理，選用CATIA軟件建立CAD幾何模型。

2.2 計(jì)算區(qū)域的確定

為了使來流均勻穩(wěn)定，來流進(jìn)口應(yīng)距車身頭部一定距離，而為使尾流充分發(fā)展，車身尾部距離出口應(yīng)保持適當(dāng)距離，以避免在計(jì)算過程中因計(jì)算區(qū)域過小產(chǎn)生回流［7］。如圖1所示，本次仿真設(shè)定的計(jì)算區(qū)域?yàn)槟Ｐ颓安咳?倍車長(zhǎng)、后部取6倍車長(zhǎng)、總高度取4倍車高，以確保上邊界氣流不受車身擾流的影響，總寬度取7 倍車寬［8］。

圖1 風(fēng)洞與整車的計(jì)算區(qū)域模型

2.3 網(wǎng)格劃分

采用FlUENT軟件的前處理，選用ICEM CFD作模擬網(wǎng)絡(luò)劃分。本次仿真網(wǎng)格劃分采取策略是，首先在車身以及計(jì)算域邊界的表面生成三角形殼網(wǎng)格，如圖2所示，然后在殼網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，在車身表面上拉伸3層三棱柱網(wǎng)格，最后用四面體網(wǎng)格填充棱柱網(wǎng)格與邊界之間的空隙。

圖2 車身切面處體網(wǎng)格的分布情況

3 模型的求解與結(jié)果分析

3.1 模型求解設(shè)置

風(fēng)洞入口邊界設(shè)定為速度進(jìn)口，來流速度V=30 m/s，即108 km/h。出口邊界條件為自由條件，計(jì)算中不考慮溫度的影響。采用Realizable k-e模型，車身表面、計(jì)算邊界及地面都默認(rèn)為邊界條件，且設(shè)置為無滑移邊界條件，所有物理量的殘差設(shè)定為1×10-4，迭代次數(shù)設(shè)置為2 000步。

3.2 求解結(jié)果分析

通過本次仿真，可以得出汽車外部流場(chǎng)的壓力和氣流速度的分布情況，由圖3及圖4可以看出，當(dāng)來流與汽車車頭相遇，使流速大大降低，形成一個(gè)高的正壓區(qū)。而在駐點(diǎn)附近氣流產(chǎn)生分支，一部分沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩流向前擋風(fēng)玻璃，另一部分流向汽車底部。流向汽車上部的氣流在流經(jīng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣時(shí)，由于該部分的結(jié)構(gòu)曲率大，氣流不能及時(shí)轉(zhuǎn)折而出現(xiàn)局部分離，且不斷加速，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)。

圖3 車身表面靜壓云圖

圖4 車身表面速度矢量圖

當(dāng)氣流順發(fā)動(dòng)機(jī)罩經(jīng)擋風(fēng)玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)罩交接處的凹角流向擋風(fēng)玻璃時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩中部開始分離，然后在前擋風(fēng)玻璃上再附著，在分離點(diǎn)與附著點(diǎn)之間形成一個(gè)渦旋區(qū)域。當(dāng)氣流到達(dá)前風(fēng)擋上緣時(shí)，氣流發(fā)生轉(zhuǎn)折，形成負(fù)壓區(qū)，之后氣流流經(jīng)頂棚，由于流動(dòng)沒有受到阻礙，所以流速較高，再次出現(xiàn)大的負(fù)壓區(qū)。

在車的尾部也出現(xiàn)一段負(fù)壓區(qū)，如圖5、圖6所示。在該處的氣流流動(dòng)是非常復(fù)雜的，存在著兩個(gè)大尺寸的渦。形成渦的主要原因是：流體流經(jīng)汽車尾部末端處，突然失去了依附，這些流體與汽車尾部的負(fù)壓區(qū)之間形成了剪切層而被卷吸。汽車的尾渦是產(chǎn)生壓差阻力的主要原因，為了避免尾渦的產(chǎn)生，應(yīng)防止汽車頂部和側(cè)部氣流互相混合。

圖5 車身縱向?qū)ΨQ面處?kù)o壓云圖

圖6 車身縱向?qū)ΨQ面處速度矢量圖

4 結(jié)論

（1）汽車正面投影面積對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響是很大的，為了減小風(fēng)阻系數(shù)，要降低車身的迎風(fēng)面積。汽車車身上、下部的壓力之差形成了汽車升力。

（2）汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能受到車身造型的影響很大。CFD仿真計(jì)算雖然存在誤差，但其仍然是研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)的一種重要方法，分析結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品具有重要參考價(jià)值。

［1］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用 ［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［2］ 傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 趙又群，張奇.高速轎車車身前部外流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（15）：1886-1889.

［4］ 嚴(yán)鵬，吳光強(qiáng)，傅立敏，等.轎車外流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（9）：1082-1086.

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

［6］ 張楊軍.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究進(jìn)展［J］.汽車工程，2001，23（2）：171-172.

［7］ 徐佳奕.某載貨汽車空氣動(dòng)力學(xué)減阻研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［8］ 許志寶.汽車外流場(chǎng)CFD模擬 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（12）：162-164.