高志彬，趙鍇，劉政

（1.青島理工大學(xué)，山東 青島 266500；2.現(xiàn)代汽車研發(fā)中心（中國(guó)）有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

基于CFD的某車型外流場(chǎng)分析

高志彬1，趙鍇1，劉政2

（1.青島理工大學(xué)，山東 青島 266500；2.現(xiàn)代汽車研發(fā)中心（中國(guó)）有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

為研究車輛空氣動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)汽車外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用CFD方法對(duì)車輛周圍外部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，仿真計(jì)算車身所受氣動(dòng)力，獲得了汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)和氣動(dòng)阻力分布，指導(dǎo)汽車外形改進(jìn)。

汽車空氣動(dòng)力學(xué)；CFD方法；優(yōu)化分析

CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-137-03

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車性能的要求逐漸提高。對(duì)于汽車造型，它不僅要符合美學(xué)，更需要滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求。汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性直接影響車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamic，CFD)越來(lái)越廣泛運(yùn)用于汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中,國(guó)內(nèi)外許多汽車企業(yè)和科研院所在汽車外流場(chǎng)模擬計(jì)算上取得較多成果，從理論研究進(jìn)入工程實(shí)用化階段[1-2]。

采用CFD方法對(duì)汽車外流場(chǎng)區(qū)域的數(shù)值模擬分析，對(duì)整車的氣動(dòng)阻力和升力進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果可為車輛外形設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方案，減少高成本的車輛實(shí)車或模型風(fēng)洞試驗(yàn)，為汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效途徑[3-5]。

1、汽車外流場(chǎng)計(jì)算流程

圖1 汽車外流場(chǎng)計(jì)算流程圖

進(jìn)行汽車外流場(chǎng)工程計(jì)算的步驟主要包括：（1）使用前處理軟件對(duì)汽車三維模型進(jìn)行幾何拓補(bǔ)、修補(bǔ)；（2）劃分網(wǎng)格并判斷網(wǎng)格質(zhì)量；（3）進(jìn)行計(jì)算，判斷計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信后進(jìn)行后處理。計(jì)算流程如圖1。

2、模型簡(jiǎn)化

由于本次分析車型外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在保證計(jì)算精度和計(jì)算要求前提下，對(duì)該車輛模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理以保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量。將進(jìn)氣格柵、車輪封閉，封閉車輛底部忽略底盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)影響；忽略雨刮器、雨水槽和門(mén)把手，僅保持其曲面外形；車輪與地面接觸變形視為小凸臺(tái)。模型簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2。

圖2 車輛模型簡(jiǎn)化結(jié)果

3、計(jì)算域確定及網(wǎng)格劃分

3.1 計(jì)算域確定

模擬車輛周圍流場(chǎng)狀況，需在車輛周圍建立一個(gè)區(qū)域包圍車身模擬風(fēng)洞監(jiān)測(cè)流場(chǎng)狀態(tài)，此區(qū)域作為流體計(jì)算域[6]。計(jì)算域通常為長(zhǎng)方體，尺寸根據(jù)進(jìn)行模擬的車輛尺寸確定。進(jìn)行數(shù)值模擬使用的長(zhǎng)方體計(jì)算域長(zhǎng)度應(yīng)完全包括汽車尾部的渦流區(qū)域，寬度和高度盡量保證內(nèi)部氣流不受計(jì)算域影響。計(jì)算域邊界設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果的精確度影響大，為了準(zhǔn)確模擬汽車周圍真實(shí)環(huán)境，計(jì)算域長(zhǎng)方體設(shè)置越大越能模擬車輛周圍氣流情況，即使車輛周圍存在漩渦也能計(jì)算在內(nèi)，但計(jì)算域長(zhǎng)方體尺寸太大會(huì)影響計(jì)算效率。本次計(jì)算域設(shè)置為總長(zhǎng)度為11倍車身長(zhǎng)度，車身前部距計(jì)算域入口為3倍車身長(zhǎng)度，車身尾部距計(jì)算域出口為7倍車身長(zhǎng)度；總寬度為7倍車身寬度；總高度為5倍車身高度。為減少計(jì)算時(shí)間本次分析采用半車輛模型，對(duì)計(jì)算域和汽車模型進(jìn)行拓補(bǔ)檢查，容錯(cuò)率設(shè)置為2mm，檢查結(jié)果如圖3。

圖3 計(jì)算域示意圖

拓?fù)浣Y(jié)果不存在黃線，說(shuō)明相鄰面間縫隙滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格溢出情況，模型符合要求。

3.2 網(wǎng)格劃分

流體仿真主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩種網(wǎng)格形式[7]。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算快捷、生產(chǎn)網(wǎng)格求解精度高；但對(duì)于復(fù)雜幾何形狀，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難以貼體形，往往不能滿足要求。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格沒(méi)有了結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)的限制，能夠快速地控制網(wǎng)格形狀，適應(yīng)復(fù)雜體形能力強(qiáng)。汽車外形復(fù)雜，故適合劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，本次分析采用ICEM網(wǎng)格劃分工具，可自動(dòng)生成高質(zhì)量四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格的大小將直接影響計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的數(shù)量和疏密程度，進(jìn)而影響模擬精度和氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的精度。計(jì)算域體網(wǎng)格設(shè)置為512，面積較大且較平滑的面設(shè)置為64，面積較小且曲率較大的面設(shè)置為16，輪胎凸臺(tái)設(shè)置為2，在車身周圍設(shè)置密度盒，網(wǎng)格大小設(shè)置為256。本文生成網(wǎng)格數(shù)156萬(wàn)，生成網(wǎng)格結(jié)果如圖4、圖5、圖6。

圖4 整車流體域網(wǎng)格

圖6 中面實(shí)體網(wǎng)格

模擬車身周圍氣流還需對(duì)車身表面的網(wǎng)格進(jìn)行處理，設(shè)置邊界層以保證氣動(dòng)力計(jì)算精度。在車身周圍拉伸出貼近且平行于車身的三棱柱網(wǎng)格作為邊界層，初始層設(shè)置為1mm，高度比為1.5，共三層，圖7為車輛邊界層示意圖。

圖7 邊界層網(wǎng)格

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于對(duì)仿真結(jié)果收斂性和計(jì)算精度影響較大，需對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，理論上實(shí)車網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)滿足0.1以上，圖8為網(wǎng)格質(zhì)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)本文求解網(wǎng)格質(zhì)量高于0.2，滿足要求。

4、模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，得到相關(guān)的計(jì)算結(jié)果如表1。

通過(guò)計(jì)算可以得到整車表面的壓力云圖，表面壓力系數(shù)分布圖，速度跡線圖，速度云圖，從而獲得汽車周圍的流場(chǎng)以及車身表面各處的壓力分布情況。

4.1 車身表面壓力

分析整車表面壓力云圖和表面壓力系數(shù)圖，進(jìn)氣柵處的迎風(fēng)壓力最大，其次是前擋風(fēng)玻璃處，這部分區(qū)域?yàn)橹苯映惺軄?lái)流撞擊，構(gòu)成了氣動(dòng)阻力的重要因素；而在尾部邊緣和車身側(cè)面形由于氣體分離成負(fù)壓區(qū)。這些區(qū)域的氣流分離又生成漩渦，會(huì)消耗大量的能量，降低汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能；在車體尾部由于車廂的作用使得車輛后部呈現(xiàn)一個(gè)壓強(qiáng)較低的區(qū)域。在車尾形成的較大漩渦會(huì)損失掉能量，從而使后部呈現(xiàn)負(fù)壓，而且隨著漩渦的不斷發(fā)展，使這個(gè)負(fù)壓區(qū)擴(kuò)展到了整個(gè)車體的后面的區(qū)域。等壓線越密集著壓強(qiáng)梯度越大，在正壓區(qū)壓強(qiáng)梯度大則意味著該區(qū)域平均壓強(qiáng)大和流動(dòng)能量損失大，在負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)梯度大則意味著該區(qū)域平均壓強(qiáng)低和流動(dòng)能量損失大，兩者相互作用的疊加會(huì)使氣動(dòng)阻力變大。

圖9 車身表面壓力云圖

圖10 車身中面壓力分布圖

圖11 車身表面 壓力系數(shù)圖

4.2 整車跡線圖

從跡線圖可以觀察到車身的上方的層流和附著在車身表面的氣體，當(dāng)氣流流經(jīng)車身時(shí)，前方來(lái)流首先遇到車頭，在車頭的進(jìn)氣格柵處會(huì)發(fā)生停滯而形成駐點(diǎn)，此處氣流速度較慢，迫使氣流向頂部、底部和側(cè)面流動(dòng)；當(dāng)氣流流經(jīng)擋風(fēng)玻璃及駕駛室上緣時(shí)，產(chǎn)生較小的氣流分離區(qū)，使得此局部區(qū)域流速過(guò)高，然后又重新附著在駕駛室頂部向后流動(dòng)。從圖中可以看出在汽車尾部形成一個(gè)明顯的渦流，在此處造成了相當(dāng)大的能量損失，這是壓差阻力形成的重要原因。

圖13 粒子軌跡圖

圖12 速度跡線圖

4.3 汽車后視鏡分析

以后視鏡作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，得到計(jì)算結(jié)果：在30m/s的車速下，后視鏡產(chǎn)生的阻力為10.87N，阻力系數(shù)為0.017，占總阻力的5.45%。

圖15 后視鏡跡線圖

圖14 后視鏡壓力云圖

4.4 輪胎分析

汽車在行駛過(guò)程中受到的阻力主要為滾動(dòng)阻力和空氣阻力，滾動(dòng)阻力主要是輪胎與地面作用產(chǎn)生的，在高速行駛的過(guò)程中輪胎不僅受滾動(dòng)阻力而且還受到空氣阻力的影響，輪胎分析結(jié)果見(jiàn)圖16、圖17。

圖17 跡線圖

圖16 表面壓力圖

根據(jù)壓力云圖可知前輪輪胎所受阻力比后輪胎所受阻力大，由于來(lái)流經(jīng)過(guò)車身及前輪胎到達(dá)后輪胎氣流速度大大減小，因此風(fēng)阻降低。從分析的結(jié)果來(lái)看，輪胎所受到的阻力大小為17.16N，阻力系數(shù)0.027，占總阻力的8.68%，也是不可忽略的部分。從跡線圖能夠看出對(duì)于減小輪胎阻力，包圍輪胎部分導(dǎo)流罩起到關(guān)鍵作用，輪胎不裸漏在車身外面有利于降低風(fēng)阻[8-9]。

5、結(jié)論

通過(guò)對(duì)車輛模型簡(jiǎn)化、確定合適的計(jì)算域和網(wǎng)格劃分等一系列步驟對(duì)某車型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，得到該車型整車氣動(dòng)阻力系數(shù)等空氣動(dòng)力學(xué)特性和車身壓力分布情況，了解了車身周圍氣流流經(jīng)車身的情況，可用于指導(dǎo)車輛設(shè)計(jì)和改進(jìn)。選取車輛后視鏡與輪胎分析，可知其阻力占整車總阻力比，它們都不可忽視，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。由于車輛三維模型做了理想化簡(jiǎn)化以及氣流模型模擬限制，車輛外流場(chǎng)分析結(jié)果并不能完全反映汽車真實(shí)情況，分析汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性還需進(jìn)一步研究，實(shí)車的風(fēng)洞試驗(yàn)十分必要。

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Analysis of Outflow Field of a Vehicle Based on CFD

Gao Zhibin1, Zhao Kai1, Liu Zheng2
( 1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266500; 2. Hyundai Automotive R&D Center (China) Limited, Shandong Yantai 264000 )

In order to study the aerodynamic characteristics of a vehicle and optimize the exterior shape of a vehicle, the CFD method is used to simulate the external flow field around the vehicle. The aerodynamic characteristics of the vehicle are calculated. Obtaining the vehicle aerodynamic characteristic parameters and the aerodynamic resistance distribution, which can guide the improvement of a car's design.

automotive aerodynamic; CFD methods; analysis

U461.1

A

1671-7988 (2017)10-137-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.048

高志彬（1969－），男，副教授，就職于青島理工大學(xué)。研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)。