楊松，李亞敏

（新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 新鄉(xiāng) 453003）

某車型車身外流場的數(shù)值仿真研究

楊松，李亞敏

（新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 新鄉(xiāng) 453003）

建立某車型車身外流場仿真三維幾何模型，將SIMPLE算法與Realizable k-ε湍流模型相結(jié)合，完成了車身外流場數(shù)值計(jì)算，并對車身及典型截面的速度場、壓力場及氣動(dòng)噪聲升功率場分布進(jìn)行了詳細(xì)分析。數(shù)值仿真結(jié)果對汽車外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要工程指導(dǎo)意義。

汽車空氣動(dòng)力學(xué)；車身外流場；數(shù)值模擬

CLC NO.:TH432.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-144-03

引言

汽車車身外形的空氣動(dòng)力學(xué)特性一直是汽車的重要性能指標(biāo)之一，在車型開發(fā)初期備受關(guān)注，對汽車整體的運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生重大影響。已有研究成果表明，隨著車速的不斷提高，汽車的行進(jìn)阻力越來越高，當(dāng)車速超過100kph時(shí)，氣動(dòng)阻力占汽車總阻力的80%左右[1]。目前對車型氣動(dòng)性能的研究主要有風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算方法，前者存在周期長、成本高等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展，數(shù)值仿真的應(yīng)用越來越普及，并且具有流場可視化等突出優(yōu)點(diǎn)。本文基于某車型對其車身外流場特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究，對其速度場、壓力場及車身表面聲功率分布等進(jìn)行了詳細(xì)分析，對指導(dǎo)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升汽車整體氣動(dòng)性能具有重要工程指導(dǎo)意義。

1 仿真模型

圖1所示為某車型車身的三維幾何模型，幾何建模過程中對門把手、刮雨器、車燈、后視鏡等進(jìn)行了忽略，對車輛底盤進(jìn)行了平順化處理[2]。

圖1 車身幾何模型

圖2所示為車身流體計(jì)算域的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格在劃分過程中對車身曲面區(qū)域進(jìn)行了加密處理，對外流場區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)放大，使網(wǎng)格數(shù)量及疏密得到良好的控制。采用四面體網(wǎng)格離散整車計(jì)算域，最終四面體網(wǎng)格數(shù)量約500萬。

圖2 車身網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模型及算法

將汽車外流場的空氣流動(dòng)看成是常物性、不可壓縮的等溫流動(dòng)[3]，其對應(yīng)的連續(xù)方程為：

式中，u、v和w表示速度在x、y、z三個(gè)方向的分量。動(dòng)量方程為：

式中，p表示微元體上所受壓力，Su、Sv、Sw表示NS方程的廣義源項(xiàng)。

湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，其控制方程的運(yùn)輸方程形式為：

式中：t為時(shí)間，ρ為空氣密度，u為速度矢量，φ為流場通量，Γ為擴(kuò)散系數(shù)，S為源項(xiàng)。

控制方程方面，與空間相關(guān)的擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階中心差分格式離散，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度與壓力之間的耦合。采用分離式隱式方案求解三維時(shí)均雷諾N-S方程[4]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 速度場

圖3所示為整車外流場流線圖，可以看出，整體模擬結(jié)果符合一般汽車外形的外流場規(guī)律。在車身的迎風(fēng)側(cè)發(fā)生氣流分離，一部分沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩向車頂流動(dòng) ，一部分向車底流動(dòng)，整個(gè)外流場的來流速度均勻穩(wěn)定。

圖3 整車流線圖

圖4所示為車身截面的速度場分布，可以看出，車身擋風(fēng)玻璃區(qū)域存在明顯的高速區(qū)，而在車身尾部由于氣流分離形成明顯的低速區(qū)。在汽車行駛的過程中，氣流首先沖擊車身頭部及擋風(fēng)玻璃，氣流受到阻擋后的速度逐漸變小，在車頂位置發(fā)生氣流分離，在車身尾部形成低速區(qū)。

圖4 車身截面速度場

3.2 壓力場

圖5所示為車身表面的壓力場分布，可以看出，車頭區(qū)域由于與來流直接沖擊，致使車頭表面存在明顯的高壓區(qū)，沿著氣流的流動(dòng)軌跡，擋風(fēng)玻璃區(qū)域的壓力有所降低，到車頂及車后區(qū)域的壓力進(jìn)一步降低。另一方面，在車輛的兩側(cè)邊緣及尾部存在區(qū)域面積較小的低壓區(qū)，說明這些區(qū)域與周期區(qū)域的流線過渡存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 車身壓力場

整體外流場車身截面的壓力場分布如圖6所示。汽車前臉存在明顯的高壓駐點(diǎn)，氣流在前臉區(qū)域受到阻滯，氣流速度降低，壓力增大，形成最為顯著的高正壓區(qū)域。流向車底的氣流在車頭下緣處發(fā)生局部分離而形成負(fù)壓區(qū)，之后氣流進(jìn)入車底與地面之間的狹窄流道，氣流速度增加，使得車底大多為負(fù)壓區(qū)。最后，流過汽車頂部的氣流與流過汽車底部的氣流在車尾區(qū)域匯合，在車尾區(qū)域形成低壓區(qū)。另一方面，車身上部與底部之間存在的壓力差形成了汽車的升力，而前擋風(fēng)玻璃存在的正壓區(qū)有利于減小汽車的升力[5]。

圖6 車身截面壓力場

3.3 聲功率場

圖7所示為車身表面的聲功率場分布，車身表面聲功率的大小反映出車身向外界輻射氣動(dòng)噪聲的能力，體現(xiàn)出車身表面氣動(dòng)噪聲聲源的分布情況。從圖7可以看出，車身邊緣區(qū)域的聲功率分布較強(qiáng)，而前臉高壓區(qū)由于風(fēng)速較低而聲功率值較低，車尾區(qū)域整體的聲功率分布較低。

圖7 車身聲功率場

4 小結(jié)

完成了某車型車身外流場的三維數(shù)值仿真計(jì)算，重點(diǎn)分析了車身及典型截面的速度場、壓力場以及聲功率場的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在車輛的兩側(cè)邊緣存在區(qū)域面積較小的低壓區(qū)，而且其聲功率分布較強(qiáng)，說明這些區(qū)域與周期區(qū)域的流線過渡存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

[1] 張式杰. 汽車噪聲分析與降噪措施及噪聲測量方法[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2011 (2)∶ 55-60.

[2] 雷榮華. 基于CFD的某汽車外流場數(shù)值模擬與分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用, 2015, 28(4)∶ 24-25.

[3] Toshio Kobayashi, Kozo Kitoh. A Review of CFD Method and Their Application to Automobile Aerodynamics [J].SAE,1992, 337- 3881.

[4] 趙又群, 張群. 高速轎車車身前部外流場數(shù)值模擬[J].中國機(jī)械工程, 2007,18(15)∶ 1886-1889.

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

Numerical Simulation of Outer Flow Field for Car Body

Yang Song, Li Yamin
( Mechanical and Engineering College, Xinxiang University, Hebei Xinxiang 453003 )

The full flow field model of the car body has been built, and the SIMPLE algorithm, in conjunction with the Realizable k-ε turbulent model, has been used to solve the three-dimensional equations. Based on the calculation of the outer flow for the car body, the velocity field, pressure field and the acoustic power field have been farther analyzed. The numerical simulation results can provide basis for optimizing the car body design, and have important value of engineering applications in the increase of the overall performance in operation.

Vehicle aerodynamics; outer flow of car body; numerical simulation

TH432.1

A

1671-7988 (2017)13-144-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.050

楊松（1986-），男，碩士研究生，就職于新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，研究方向：電動(dòng)汽車。