中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李東風(fēng) 肖豐樂(lè)

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，汽車逐漸融入了人們的生活，成為人們生活必需的交通工具，但眾所周知，這也給環(huán)境帶來(lái)了巨大的污染。在我國(guó)，汽車尾氣排放量占城市總污染份額已達(dá)到了25%～40%，在大城市的溫室效應(yīng)中40%來(lái)自汽車尾氣排放[1]。一般汽車使用石油產(chǎn)品作為燃料，然而石油屬于不可再生資源。為了減輕汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染并應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，目前一條行之有效的途徑就是尋求無(wú)污染、可再生能源替代石油產(chǎn)品作為汽車燃料,太陽(yáng)能就是可替代能源之一。太陽(yáng)能汽車是利用車身上的太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的一種新能源汽車。

但是目前太陽(yáng)能汽車還沒(méi)有大面積的普及，一個(gè)重要原因就是太陽(yáng)能電池板的能量轉(zhuǎn)化率太低，使得汽車的續(xù)航距離不足，所以如何提高太陽(yáng)能汽車的續(xù)航距離成為急需解決的問(wèn)題[2]。研究表明，車速超過(guò)100 k m/h時(shí)，絕大部分的功率都消耗在克服空氣阻力上[3]，所以汽車車身的氣動(dòng)性能對(duì)太陽(yáng)能汽車?yán)m(xù)航能力的強(qiáng)弱起到至關(guān)重要的影響。由于風(fēng)洞試驗(yàn)成本高昂而計(jì)算機(jī)卻在不斷發(fā)展和應(yīng)用，目前多采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD-Computational Fluid Dynamics）對(duì)汽車外形的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，目前這一技術(shù)已成功為客車[4]和磁懸浮列車[5]完成氣動(dòng)外形分析，所以本文采用CFD技術(shù)對(duì)某太陽(yáng)能汽車的氣動(dòng)外形進(jìn)行分析，為科學(xué)評(píng)估太陽(yáng)能汽車的車身氣動(dòng)性能提供依據(jù)。

1 車身模型

在數(shù)值模擬過(guò)程中僅需要對(duì)車體周圍的流場(chǎng)整體考慮，由于汽車的外形復(fù)雜，細(xì)節(jié)很多，網(wǎng)格生成困難，計(jì)算量大大增加，所以要對(duì)車身進(jìn)行理想化處理，如圖1所示。汽車模型是對(duì)稱圖形，所以為了提高分析的效率，采用對(duì)稱模型，如圖2所示。隨著非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，完全可以采用對(duì)汽車的流場(chǎng)劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法，而汽車附近的氣流變化劇烈可以在車身附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芤圆蹲綇?fù)雜的氣流變化，如圖3所示。本文入口采用速度入口，速度為33.3 m/s，出口為壓力出口，壓力為一個(gè)大氣壓，即101325 Pa，計(jì)算中不考慮溫度的影響?？紤]到地面效應(yīng)的影響[7]，所以汽車的氣動(dòng)外形分析和飛機(jī)不同，必須有一定的離地距離。

圖1 太陽(yáng)能汽車模型

圖2 計(jì)算域和邊界條件

圖3 汽車外流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2 計(jì)算結(jié)果與分析

汽車外形決定汽車車身表面壓力分布情況，在該方面的研究對(duì)汽車所受氣動(dòng)力的分析有著重要的影響。從圖4對(duì)稱面上的壓力云圖可以看出，車身前部，擋風(fēng)玻璃和行李箱蓋后緣等壓線比較密集，這意味著壓強(qiáng)梯度大，而正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)梯度大意味著該區(qū)域平均壓強(qiáng)大和流動(dòng)能量損失大，兩者相互作用的結(jié)果就是氣動(dòng)阻力大。

圖4 縱對(duì)稱面上的壓力分布

車身前部、前擋風(fēng)玻璃等處都有一定的正壓區(qū)，如圖5（a）所示，這是由于這些區(qū)域直接承受氣流的沖擊，它們是構(gòu)成整車氣動(dòng)阻力的主要因素。一般可以通過(guò)改進(jìn)車頭和擋風(fēng)玻璃的形狀，以減小車頭和擋風(fēng)玻璃的正投影面積，這樣會(huì)減小氣動(dòng)阻力。在車身的行李箱部位呈現(xiàn)出較大的負(fù)壓區(qū)域，如圖5（b）所示，這是由于從后風(fēng)窗玻璃沖擊下來(lái)的高速氣流由于受到行李廂的屏蔽作用而使廂體后部呈現(xiàn)一個(gè)壓強(qiáng)較低的區(qū)域，而且從車體頂部、側(cè)面、底部匯流入廂體尾部的較高壓強(qiáng)的氣流在此形成了大尺度的漩渦，漩渦消耗了大量的能量，從而使后部呈現(xiàn)負(fù)壓。本車身模型所受的壓差阻力和粘性阻力分別為7970.78 N和1473.81 N，對(duì)于一般汽車來(lái)說(shuō)壓差阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘性阻力，但是由于太陽(yáng)能汽車車身表面需要安裝大量太陽(yáng)能電池板，所以需要車身表面積較大，這就導(dǎo)致了粘性阻力相對(duì)也較大。

圖5 車身表面壓力云圖

3 結(jié)論

采用CFD技術(shù)完全可以分析太陽(yáng)能汽車車身的氣動(dòng)性能，在日后的汽車研發(fā)領(lǐng)域，CFD技術(shù)正是預(yù)測(cè)整車外流場(chǎng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要工具。風(fēng)洞試驗(yàn)成本昂貴和試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且取得整個(gè)流場(chǎng)詳細(xì)的流動(dòng)狀況非常難,而采用高精度C F D數(shù)值模擬可以提供整個(gè)汽車外流場(chǎng)上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的詳細(xì)信息，并且能夠有效降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

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