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摘 要：采用STAR-CCM+軟件對(duì)汽車(chē)內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，判斷影響整車(chē)性能的布置和造型設(shè)計(jì)要素。在整車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)機(jī)艙內(nèi)外氣體的模擬仿真，得出造型及布置是否滿足外部流場(chǎng)壓力和艙內(nèi)進(jìn)風(fēng)量設(shè)計(jì)要求，是否滿足整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：STAR-CCM+；流場(chǎng)；造型；整車(chē)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）05-0046-04

Abstract： Simulation analysis of the full flow field of a passenger vehicle by using STAR-CCM+. We can determine the layout and design elements that effect vehicle performance Whether to meet the vehicle power and economic indicators should be estimated according to simulation results. Those results can provide the basis of the further optimization of engine bay arrangement and styling in the design.

Key Words： STAR-CCM+； flow field； Styling； vehicle performance

1 引言

在整車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，外部流場(chǎng)與整車(chē)外觀造型有著密切關(guān)系，機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)影響機(jī)艙內(nèi)各部件的性能狀態(tài)。由于氣流的不確定性和整車(chē)自身系統(tǒng)模塊化，整車(chē)內(nèi)外環(huán)境都易存在“氣體回流”和“局部漩渦”現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻及空調(diào)系統(tǒng)等性能指標(biāo)達(dá)成。因此如何優(yōu)化整車(chē)內(nèi)外流場(chǎng)，改善整車(chē)性能，成為整車(chē)前期開(kāi)發(fā)階段的重要課題。

整車(chē)前期設(shè)計(jì)階段，無(wú)實(shí)車(chē)驗(yàn)證內(nèi)外流場(chǎng)形態(tài)，且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，代價(jià)大，通過(guò)流體計(jì)算軟件STAR-CCM+軟件，分析整車(chē)外流場(chǎng)和機(jī)艙流場(chǎng)，為外部造型優(yōu)化和機(jī)艙布置提供理論依據(jù)，通過(guò)優(yōu)化整車(chē)設(shè)計(jì)和布置，改善機(jī)艙氣流量，盡量避免氣流泄漏、回流現(xiàn)象；通過(guò)優(yōu)化造型，降低整車(chē)外部流場(chǎng)風(fēng)阻效應(yīng)，改善整車(chē)性能。

2 計(jì)算模型

2.1 基本理論

將氣體視作黏性不可壓縮，其控制方程為雷諾平均N-S方程，三維流場(chǎng)計(jì)算通過(guò)求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流方程，得到流體在空間內(nèi)的壓力、速度、溫度等信息[1]。

2.2 網(wǎng)格劃分

仿真模型包括車(chē)身外表面、前后車(chē)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、空氣濾清器、蓄電池、底盤(pán)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等機(jī)艙及下車(chē)體大型布置零部件[2]。

應(yīng)用STAR-CCM+對(duì)數(shù)模進(jìn)行包面處理，對(duì)進(jìn)氣格柵、后視鏡、前端冷卻模塊等對(duì)氣流影響比較大的部件進(jìn)行細(xì)化，形成封閉區(qū)域，共生成體網(wǎng)格約1894萬(wàn)。

2.3 設(shè)置邊界及建立冷卻系統(tǒng)模型

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用多工況下的風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速。在計(jì)算中，冷凝器和散熱器均采用了多孔介質(zhì)的計(jì)算模型，在多孔介質(zhì)模型中以均勻化的壓力變化來(lái)代替平行流式換熱器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化模型，空氣流速的變化由試驗(yàn)得到的曲線給定[3]。

計(jì)算汽車(chē)行駛時(shí)的流場(chǎng)分布，對(duì)于整車(chē)流場(chǎng)區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度入口邊界，分別計(jì)算來(lái)流速度為60km/h、160km/h兩種工況，出風(fēng)口為壓力出口邊界，車(chē)身表面和地面車(chē)頭后部均設(shè)為無(wú)滑移壁面，地面車(chē)頭前部和其它流場(chǎng)計(jì)算域設(shè)為滑移壁面。散熱器和冷凝器等冷卻元件采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬氣流。

3 流場(chǎng)分析及優(yōu)化

3.1 外流場(chǎng)分析及優(yōu)化

3.1.1 整車(chē)前部?jī)?yōu)化

由車(chē)身整體壓力圖可知，車(chē)身外部突出物、前部區(qū)域、前風(fēng)擋玻璃下邊緣及下車(chē)體迎風(fēng)面的壓力分布較大，增大了空氣阻力。

如圖2所示，機(jī)罩后邊緣過(guò)低，空氣壓力有所增強(qiáng)，導(dǎo)致圖3區(qū)域處，機(jī)罩與車(chē)窗下邊緣出現(xiàn)漩渦區(qū)域，增加了風(fēng)阻壓力，在不影響造型邊界的前提下，機(jī)罩邊緣局部?jī)?yōu)化抬高，雨刮內(nèi)收，避免高速氣流對(duì)雨刮的沖擊。

3.1.2 整車(chē)底部?jī)?yōu)化

如圖4所示，從底部和尾部流線看，高速氣流沖擊后懸，并在油箱前方形成渦流。如圖5-1所示，可增加適當(dāng)高度的導(dǎo)流板平順氣流。如圖5-2所示，下車(chē)體底部高度差過(guò)大，產(chǎn)生渦流區(qū)域，將后消聲器橫置，使得下車(chē)體底部布局平順，減少底部渦流產(chǎn)生，使氣流平順。

3.1.3 整車(chē)尾部?jī)?yōu)化

如圖9所示，優(yōu)化之后，C柱區(qū)域與擾流板區(qū)域背壓降低明顯。

3.1.4 造型及布置優(yōu)化效果

在優(yōu)化之后，風(fēng)阻系數(shù)降低3%，進(jìn)而進(jìn)一步降低風(fēng)阻值，降低油耗值，風(fēng)阻系數(shù)如表2所示：

水平截面Y=0的速度矢量如圖10所示，從進(jìn)氣格柵進(jìn)入的冷卻空氣一部分繞過(guò)冷卻系統(tǒng)上下兩端進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，并在散熱器上下端和后部形成一定的“渦流”，形成氣流滯留[2]。

從仿真圖來(lái)判斷冷卻系統(tǒng)上下端存在一定的漏風(fēng)現(xiàn)象。這些氣體“泄漏”及“渦流”影響了散熱器和冷凝器的散熱功能。不利于艙內(nèi)熱空氣的順利排出，惡化散熱效率，導(dǎo)致整車(chē)性能下降。

如圖13和表3所示，通過(guò)整車(chē)內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化仿真，修改導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，冷凝器、散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都明顯提高[5]，進(jìn)一步提高了散熱器、中冷器、冷凝器的性能，優(yōu)化后整車(chē)性能與同級(jí)別車(chē)輛相比，處于優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)更改機(jī)艙和下車(chē)體部件、修改整車(chē)外部造型，優(yōu)化整車(chē)內(nèi)外流場(chǎng)，達(dá)到了一定的效果，結(jié)論如下：

（1）基于流場(chǎng)仿真分析結(jié)果，分析不同的造型和布置方案，可提高整車(chē)性能，加快開(kāi)發(fā)速度，減少試驗(yàn)次數(shù)與費(fèi)用[6]。

（2）整車(chē)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)內(nèi)外流場(chǎng)仿真分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)部氣體存在泄漏和回流現(xiàn)象，外部造型局部背壓過(guò)大，存在渦流，影響整車(chē)性能達(dá)成。

（3）在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步優(yōu)化造型，改善機(jī)艙布置提供了理論依據(jù)，整車(chē)內(nèi)外流場(chǎng)都得到了明顯的改善。

參考文獻(xiàn)：

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