宗奕彤 郭磊 石巖 李耀 秦子強(qiáng)

1.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院 江蘇省南京市 211106 2.徐州徐工汽車(chē)制造有限公司技術(shù)中心 江蘇省徐州市 221000 3.南京市公安局交通管理局科研室 江蘇省南京市 210000

1 引言

隨著能源危機(jī)的加劇以及國(guó)際對(duì)于環(huán)境污染的重視，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但是續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題一直制約著新能源汽車(chē)的發(fā)展。因?yàn)槠?chē)在行駛過(guò)程中，很大一部分能源的消耗都是用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，所以在電池技術(shù)短時(shí)期內(nèi)無(wú)法突破的現(xiàn)實(shí)情況下，有效的降低汽車(chē)行駛時(shí)的空氣阻力成為提高新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航能力的有效方法之一。本文通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)造型來(lái)降低氣動(dòng)阻力，從而減少能源的消耗，對(duì)整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的節(jié)能減排有重要意義。當(dāng)前對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬兩種方法。而實(shí)驗(yàn)法存在對(duì)硬件的要求高，易受環(huán)境因素干擾等的缺陷。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值仿真方法的迅速發(fā)展，屬于新興交叉學(xué)科的汽車(chē)計(jì)算流體力（CFD）得以迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)為汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究開(kāi)辟了新的途徑。現(xiàn)在新的汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)的研究基本上都是采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法。

文獻(xiàn)[1]研究了SUV車(chē)底氣動(dòng)附件對(duì)于整車(chē)減阻的能力。文獻(xiàn)[2][3]研究了不同兩方程湍流模型對(duì)于汽車(chē)外流場(chǎng)模擬能力的強(qiáng)弱，結(jié)果都表明Realizable k-ε模型具有良好的收斂性和精確性。文獻(xiàn)[4]研究了汽車(chē)尾部增加擾流板及棱紋仿生結(jié)構(gòu)對(duì)于減阻的影響，結(jié)果表明具有2.59%的最大減阻率。文獻(xiàn)[5]研究了廂式車(chē)廂體平板表面氣流摩擦理論與減阻方法，并取得了一定的減阻效果。這些研究可以對(duì)氣動(dòng)阻力優(yōu)化方向提供參考，但是大多數(shù)研究都沒(méi)有系統(tǒng)考慮輕卡外型，本文的主要工作就是對(duì)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果中出現(xiàn)的高壓區(qū)、氣流分離區(qū)以及尾渦區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)地優(yōu)化與改進(jìn)。

2 基本理論

2.1 汽車(chē)受力分析

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，受到的力分為汽車(chē)車(chē)輪與地面之間的摩擦力和汽車(chē)整個(gè)車(chē)身受到的空氣阻力和力矩。來(lái)自空氣的阻力是本算例需要研究的重點(diǎn)。汽車(chē)受到來(lái)自X，Y，Z三個(gè)方向垂直的力和來(lái)自這三個(gè)方向的力矩。通常所說(shuō)的氣動(dòng)阻力指的是受到來(lái)自X方向的力。

2.2 CFD數(shù)值模型

本文算例模型屬于三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流場(chǎng)，鑒于以往汽車(chē)外流場(chǎng)分析經(jīng)驗(yàn)及理論基礎(chǔ)，本文選用Realizable k-ε湍流模型來(lái)計(jì)算流場(chǎng)。Realizable k-ε湍流模型[6]引入部分雷諾應(yīng)力數(shù)學(xué)約束，湍動(dòng)能k及耗散率ε基本方程為：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能K產(chǎn)生項(xiàng)；σκ和σε分別表示湍動(dòng)能K和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

3 仿真模型

3.1 幾何模型

在汽車(chē)行駛過(guò)程中，氣流經(jīng)過(guò)汽車(chē)前臉，一部分流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，再經(jīng)過(guò)前擋風(fēng)玻璃，最后順著導(dǎo)流罩，到達(dá)汽車(chē)上部與后面貨箱前面接觸。與貨箱接觸后的氣流一部分流入汽車(chē)前部與貨箱之間的空隙，另一部分繞過(guò)貨箱流向后方。還有一部分氣流是從前方流經(jīng)汽車(chē)底部的。最終上下兩部分氣流到達(dá)貨箱后某一距離處回合形成漩渦。在汽車(chē)側(cè)面也有氣流經(jīng)過(guò)。左右兩側(cè)的氣流經(jīng)過(guò)汽車(chē)駕駛室，直接撞擊在汽車(chē)貨箱的側(cè)部。所以在汽車(chē)貨箱前部，形成了一片高壓區(qū)。汽車(chē)的氣動(dòng)阻力有超過(guò)一半來(lái)自于壓差阻力[7]。所以對(duì)汽車(chē)貨箱前面進(jìn)行改造很有必要。

待分析的幾何模型分為原始方案與四種優(yōu)化方案。通過(guò)使用抽取、包面等技術(shù)，確保整個(gè)模型是封閉腔體，并且忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響的細(xì)節(jié)特征，如底盤(pán)平整化處理，完成幾何腔體仿真模型的建立，如圖1：

圖1 仿真幾何模型

圖2 側(cè)導(dǎo)流板

上面四種優(yōu)化方案與原方案的區(qū)別在于：

3．1．1 方案 1 與原方案

方案1與原方案相比在駕駛室側(cè)面增加了側(cè)導(dǎo)流板。根據(jù)分析，氣流經(jīng)過(guò)側(cè)面會(huì)直接撞擊在貨箱上，對(duì)汽車(chē)形成的阻力較大。加上導(dǎo)流板后，側(cè)面氣流會(huì)順著導(dǎo)流板往后方流去，減少氣流直接撞擊在貨箱前面。

3．1．2 方案 2 與方案 1

貨箱結(jié)構(gòu)由波浪板型式更改為平滑板。原貨箱表面是波浪式的，相當(dāng)于粗糙表面，氣流流經(jīng)這種表面時(shí)，會(huì)受到較大阻力，即對(duì)汽車(chē)產(chǎn)生較大阻力。改為平滑表面后，更利于氣流往后流動(dòng)，減少阻力。

3．1．3 方案 3 與方案 2

貨箱邊緣處倒50mm圓角。由于原箱體邊緣處是直角，更容易形成氣流分離，產(chǎn)生回流區(qū)。將直角改成圓角后，可以減少氣流分離。

圖3 倒圓角

3．1．4 方案 4 與方案 3

廂體左上右上增加凸包；尾部增加尾平板。氣流流經(jīng)導(dǎo)流罩后，一部分到達(dá)上部，撞擊在貨箱上，形成高壓區(qū)，但最主要的部位是在左右兩側(cè)角上。所以在左右角上加上凸包，使得氣流不是直接撞擊在左右角上，而是繞過(guò)凸起，流向車(chē)后方。

圖4 凸包

圖5 尾平板

3.2 網(wǎng)格生成

采用Trim體網(wǎng)格，車(chē)體表面法向生成邊界層網(wǎng)格，分三層進(jìn)行局部加密。由于CFD仿真計(jì)算的精度與計(jì)算網(wǎng)格的大小密切相關(guān)，但受到硬件的限制，只能對(duì)模型進(jìn)行局部細(xì)化處理來(lái)控制網(wǎng)格數(shù)量，其他對(duì)計(jì)算精度影響不大的區(qū)域設(shè)置較粗的網(wǎng)格尺寸。在STAR CCM+中首先進(jìn)行包面處理，消除細(xì)小的邊和干涉等錯(cuò)誤，保留模型的幾何特征，提取計(jì)算模型最大的外表面，然后再生成網(wǎng)格。圖8是汽車(chē)整體網(wǎng)格，從中可以看出，網(wǎng)格很好地捕捉了幾何表面特征，與實(shí)際情況較為符合。圖7是局部網(wǎng)格的展示，其中邊界處生成了加密邊界層。因?yàn)樵谄?chē)表面速度變化梯度較大，生成高密度高質(zhì)量的網(wǎng)格，可以讓計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)。圖8是整體網(wǎng)格的截面圖，從中可以看出，網(wǎng)格分為了三層，從外部流場(chǎng)一直到汽車(chē)，逐步加密，在汽車(chē)表面密度最高。這樣既可以提高計(jì)算精確度，也可以節(jié)省計(jì)算機(jī)硬件資源。

圖6 整體網(wǎng)格

圖8 網(wǎng)格截面

圖9 整車(chē)外流場(chǎng)速度云圖

3.3 邊界條件

汽車(chē)在行駛時(shí)，作用在車(chē)身表面的流體是空氣，仿真是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。研究氣動(dòng)阻力的車(chē)速為一定值20m/s，由于該速度遠(yuǎn)小于聲速，此時(shí)可以把流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的空氣假設(shè)為不可壓氣體進(jìn)行處理[8]，湍流模型選用Realizable K-Epsilon模型。詳細(xì)設(shè)置如下：

（1）入口設(shè)置為速度入口，速度大小為20m/s。

（2）出口為壓力出口，設(shè)置壓力為0Pa。

（3）地面設(shè)置為移動(dòng)壁面，并且速度與空氣速度相同。因?yàn)槠?chē)相對(duì)于空氣是移動(dòng)的，而空氣相對(duì)于地面是靜止的，如果設(shè)置底面為非移動(dòng)壁面，就會(huì)產(chǎn)生氣流邊界層，與實(shí)際情況不符。

（4）車(chē)體邊界設(shè)置為固定無(wú)滑移壁面，其余邊界設(shè)置為滑移壁面。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 車(chē)身外流場(chǎng)分析

計(jì)算收斂后，截取對(duì)稱(chēng)面，查看對(duì)稱(chēng)面以及車(chē)身表面速度分布情況，結(jié)果如下：

通過(guò)整車(chē)外流場(chǎng)速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)整車(chē)車(chē)廂由波浪板更改為平滑板之后，車(chē)廂處氣流分離情況有所改善；車(chē)廂倒圓角后，車(chē)廂前緣兩側(cè)氣流分離情況有了明顯改善。

通過(guò)圖10，可以看到添加過(guò)側(cè)導(dǎo)流板后的方案1的車(chē)廂兩側(cè)氣流更加順暢，避免了氣流經(jīng)由車(chē)身流過(guò)直接撞擊到車(chē)廂前緣兩側(cè)。

由圖11可知，車(chē)廂邊緣倒圓角后，氣流貼著車(chē)廂流動(dòng)的概率顯著提高，避免了直角引起的流動(dòng)分離，降低了能量損失。

由于車(chē)廂寬于駕駛室，綜合考慮后，導(dǎo)流罩在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法全方位覆蓋車(chē)廂前緣迎風(fēng)面積，所以，在高速行駛中，無(wú)可避免會(huì)在該處區(qū)域形成高壓低速區(qū)，增加空氣阻力。通過(guò)上圖可以觀察到，增加凸包結(jié)構(gòu)后，氣流通過(guò)凸包側(cè)面流過(guò)，沒(méi)有撞擊在前緣兩側(cè)，減少了動(dòng)量消耗，從而達(dá)到降低風(fēng)阻的作用。

圖10 原始方案與方案1對(duì)比

圖11 方案2、方案3

圖12 加凸包流線(xiàn)圖

4.2 各方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

迭代進(jìn)行1400步，發(fā)現(xiàn)各方案計(jì)算均已達(dá)到收斂條件，阻力系數(shù)不再隨迭代次數(shù)的增加而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，如圖13所示。

通過(guò)表1和圖13可以發(fā)現(xiàn)，前緣倒角對(duì)于降風(fēng)阻效果最明顯，約為13%；凸包與貨箱表面平滑板效果差距不大，分別為3.6%與3.9%；側(cè)導(dǎo)流板約為2.3%，阻力系數(shù)變化趨勢(shì)與云圖等結(jié)果吻合。結(jié)果表明運(yùn)用CFD技術(shù)，能夠有效分析計(jì)算汽車(chē)阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)，這對(duì)新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)具有良好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用CFD方法，對(duì)某輕卡外流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)流場(chǎng)分析的結(jié)果，對(duì)輕卡的氣動(dòng)外型做出改進(jìn)，降低了輕卡的阻力系數(shù)，最終得到以下結(jié)論：

（1）在駕駛室側(cè)面加側(cè)導(dǎo)流板可以有效防止側(cè)面氣流直接撞擊到貨箱上，從而減少了阻力。在貨箱左上角和右上角加凸包，可以減少因?yàn)閷?dǎo)流罩范圍不夠大引起的貨箱上部高壓區(qū)，使得氣流更加流暢。

（2）原貨箱直角邊緣，動(dòng)量消耗較大，在貨箱邊緣加倒角，可以減少氣流分離的情況，降低動(dòng)量消耗。氣流經(jīng)過(guò)車(chē)身在倒角處會(huì)順著貨箱壁面流過(guò)，而不是在直角情況下的直接分離。

（3）將波浪式貨箱壁面改成平滑壁面，使得壁面表面速度分布更加均勻，一定程度上降低了阻力。

（4）四種方案相互比較后發(fā)現(xiàn)，加倒角阻力系數(shù)降低的效果最為明顯；加凸包與貨箱壁面改為平滑壁面對(duì)降低阻力系數(shù)值的作用基本相同；加側(cè)導(dǎo)流板的減阻效果最弱。

表1 各方案風(fēng)阻系數(shù)

圖13 阻力系數(shù)變化曲線(xiàn)