1、引言

利用計算流體動力學軟件，能夠有效進行流體流動、傳熱以及相應的傳遞現象的系統(tǒng)分析，在航空、鐵路運輸以及汽車方面有著廣闊的應用空間。利用CFD的基本思想，能夠有效利用系列化的離散點的變量值的集合來替代原有的空間域和時間域上的連續(xù)物理量場，在一定的規(guī)則要求下，能夠建立相應的反映離散點的變量關系的代數方程組，利用上述方程組的求解，得到相應的場變量的近似解。汽車的應用隨著快速發(fā)展的經濟需求而顯得越來越重要，對于汽車的性能，特別是涉及到振動、噪音、平順性以及節(jié)能方面的要求越來越高，這些都涉及到空氣動力學知識。在傳統(tǒng)的汽車動力學分析工作工作，主要是利用風洞進行實測分析，這樣的試驗周期比較長，成本造價比較高。近幾年，計算機模擬仿真技術與湍流技術發(fā)展飛速，可以利用高性能計算機完成原有的風洞實驗室才能完成的試驗，這樣能夠有效節(jié)省開發(fā)成本，大大縮短開發(fā)周期。一般來說，盡管試驗具有較高的可信度，但是，如果把汽車外流場分析模擬技術應用于汽車開發(fā)設計中，有效結合具體的試驗，這樣無疑能夠有效縮短汽車設計的周期。

利用有效結合傳統(tǒng)試驗方式，能夠對于汽車開發(fā)具有重要意義，在降低成本的同時，還能有效縮短工期。在進行具體的車型的外流場的分析過程中，通過給定的迎風面積、風阻系數等參數確定，利用軟件有效預測車型的最大車度、加速度等情況。能夠得到該車型的表面壓力分布云圖，以及車身的流線圖等信息，可以有效判斷新車型外形設計的有效性。所以，應用計算流體動力學軟件（CFD）的流場分析，能有效指導進行汽車的具體設計。

2、模型處理與網格劃分

由于汽車車身表面存在著大量的細微特征，如果想要對于上述的詳細特征進行有效模擬，則會導致出現數目巨大的網格單元數，使得計算求解的時間大大增加，所以，應該在進行計算模型處理過程中，進行一定的幾何模型的簡化處理。

2.1CAD模型的前處理

根據實際工況要求，利用軟件對于汽車模型進行有效的簡化處理，處理底盤部分為一個完成的平面，保留相應的門把手、后視鏡、輪胎以及行李架等部件，然后，能夠有效縫合相應的車身表面以及底盤，這樣就可以形成一定的有效特征表面，能夠將汽車模型簡化成為封閉的殼體，這樣就能保證在其周圍形成一定的空氣域。

2.2有限元模型的前處理

貼體網格則是在網格生成中采用的技術，主要為了能夠更好模擬車身周圍的流場情況，特別是涉及到車身影響周圍的流體是否產生分離以及附著的情況，這樣能夠比較好地得到車身表面的流動情況，另外，還把邊界層網絡設置在車身外，這樣就是在邊界層外能夠有效對于網格大小進行控制，合理控制網格規(guī)模。這里主要把車身的外表面生成有效的三角形網格，每個單元的大小大約為10mm左右，計算與單元范圍在50～400mm?？傮w單元網格數量在240萬左右，能夠實現網格的總體的過渡平緩、均勻變化。

3、模型分析條件及結果分析

3.1初始條件設置

根據實際條件，設定風洞邊界入口速度為30m/s，壓力出口則為出口的邊界條件，其中，空氣密度為常溫下的1.18415kg/m3，并不考慮溫度的影響，為了有效接近實際工況，這里選擇湍流模式為Realizable k-ε模型，壁面函數則是采用Two-layer Ally+ Wall；計算過程中，選擇一階迎風格式，盡管使得收斂速度有所降低，但是保證計算精度的要求，并設置計算步數為6000步。

3.2求解結果分析與思考

在上述的初設條件設置完成之后，利用流體動力學軟件進行計算并分析，根據上述邊界條件以及具體的物理模型，進行外流場的特性分析，主要結果分析如下。

從行駛過程中的汽車的車身表面的壓力分布可以看出，不同的壓力云圖表示汽車車身不同位置所具有的不同壓力值，其中，前保險杠處、進氣格柵處的壓力最大，大約為560Pa，這就說明前端滯止區(qū)域影響范圍較大，使得阻力有所增加。而在尾渦區(qū)域，存在變化比較小的壓力梯度，使得尾渦區(qū)域的影響范圍有所減少，阻力減少。另外，在前輪胎外側、后視鏡邊緣等位置，出現了較低負壓區(qū)，值得注意。

圖1則是車身對稱面上速度分布情況，另外，從車身對稱面的速度矢量分布情況，以及車身后面位置的速度分布，可以看出，由于車體的影響，會造成阻礙作用，氣流則會在汽車頭部形成一定的滯止區(qū)域，出現一定的高壓區(qū)；同時，車底部的氣流則能夠表現為較為流暢的情況；而車尾位置則能夠呈現出明顯的旋渦分布。

另外，根據車身尾部流線圖、側視流線圖的情況，可以看出，流線呈現出能夠貼合車身表面而流動，在整車的表面流程狀態(tài)較好，渦旋在汽車尾部出現。根據左、右后視鏡的流線情況，進行分析，可以看出，后視鏡的鏡殼處產生流線，其并沒有貼近車窗玻璃，同時，鏡座處的流線則呈現出貼近車窗玻璃的情況。

4、空氣阻力系數的計算

根據氣動阻力計算公式，并結合氣動阻力系數的計算公式，可以看出，經過軟件模擬，得到的空氣阻力數據為，F=423.57N，迎風面積則為A=2.765m2，空氣阻力系數C=0.314.

在進行模擬仿真計算過程中，簡化處理了發(fā)動機艙進氣格柵，并沒有考慮相應的發(fā)動機艙內流場的阻力的影響，將地板進行簡化處理為一個大平面，這樣必然會造成仿真結果具有一定的誤差。經過相關的風洞試驗，可以確定修正系數在20%左右，這樣能夠有效對于該車型的風阻系數進行預測。

5、結語

經過數值模擬仿真，模擬的流場特性可以得到，整個車型的流動性比較好，具有明顯的貼體性能，整車表面的流線光順，符合設計要求，并沒有出現較大曲率的流動曲線，在尾渦之外，并沒有呈現出流動分離以及回流情況，另外，在尾渦區(qū)域內具有較小的壓力變化梯度。同時，在部分區(qū)域內部，還存在性能降低、阻力降低的區(qū)域，比如擋風玻璃的壓力分布問題等，還需要進一步的優(yōu)化處理。

（作者單位：1.蕪湖職業(yè)技術學院；2.奇瑞上海技術中心）