馬明輝，靳紅玲，石復(fù)習(xí)

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

引言

Honda節(jié)能車競(jìng)技大賽是將參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的汽車在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定線路，行駛一定距離后，由此換算出車輛消耗一升油所能行駛的公里數(shù)，耗油量少者勝出的一項(xiàng)賽事，參賽車輛搭載由本田公司開發(fā)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤確定的情況下，車輛的外殼減阻性能對(duì)節(jié)省油耗有巨大意義，如何設(shè)計(jì)車殼的形狀進(jìn)行減阻成為歷屆參賽團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)解決問題。

本設(shè)計(jì)通過參考汽車車身減阻方面的研究文獻(xiàn)和參考其他優(yōu)秀參賽車隊(duì)的外形設(shè)計(jì)，構(gòu)思并設(shè)計(jì)西北農(nóng)林科技大學(xué)Honda節(jié)能車競(jìng)技參賽用車車殼的造型，應(yīng)用 CATIA和ANSYS ICEM軟件分別對(duì)車殼進(jìn)行三維造型和網(wǎng)格劃分，最后通過ANSYS fluent軟件對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析，利用仿真結(jié)果（壓力云圖，速度矢量圖，跡線圖）分析產(chǎn)生壓力較大位置和渦流位置的原因，并對(duì)這些位置的造型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小車輛的壓差阻力。

1 車殼三維造型設(shè)計(jì)

考慮到節(jié)能車前軸采用兩個(gè)從動(dòng)輪、后軸采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的布置形式，車身設(shè)計(jì)成前寬后窄的造型方案。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，任一運(yùn)動(dòng)物體所受到的氣動(dòng)合阻力(包含形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力、摩擦阻力)與其受到的動(dòng)壓及它的參考面積(對(duì)于汽車常取其迎風(fēng)正投影面積)成正比，該比例系數(shù)為空氣阻力系數(shù)CD，對(duì)于車身的阻力主要來于車輛前后的壓差阻力[1]，另外，有研究表明，車身從上方看呈近似菱形形狀，在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為30m/s，側(cè)滑角從0度到15度，其阻力系數(shù)隨側(cè)滑角的變化為0.27～0.30，而普通汽車在同等條件下其阻力系數(shù)隨側(cè)滑角的變化為0.31～0.52[2]，同時(shí)將后擾流板延長并下壓會(huì)逐漸降低整車阻力系數(shù)[3]，對(duì)其進(jìn)行模仿創(chuàng)新，將尾部延長并下壓。綜合以上設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)車身三維造型如圖1所示（包含俯視圖）。

圖1 車身三維造型

2 有限元分析

2.1 劃分網(wǎng)格

因?yàn)檫M(jìn)行流場(chǎng)分析，故而先設(shè)置入口面、出口面、壁面以及body。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了模擬汽車行駛狀態(tài)，模擬使用長方形的計(jì)算域，設(shè)汽車尺寸長 × 寬 × 高（L×W×H），計(jì)算域尺寸應(yīng)為 10L×4W×5H[5]。采用Tetra/Mixed方法和Robust(Octree)算法建立全局網(wǎng)格，對(duì)不重要的區(qū)域適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，對(duì)關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，從而在能得到較精確結(jié)果的前提下，減輕計(jì)算機(jī)計(jì)算量[6]，故對(duì)進(jìn)出口以及周圍區(qū)域適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，對(duì)關(guān)心的車身及周邊區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。檢查網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格未出現(xiàn)畸變。

2.2 定義計(jì)算模型及監(jiān)視器

節(jié)能車在良好賽道上行駛，沒有橫風(fēng)作用，車速平均在25km/h，故本研究選用工程上常用的k-e湍流RNG模型來封閉控制方程組，湍流模型如下[7]。

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)項(xiàng)；

Gb——由于浮力影響引起的湍動(dòng)能項(xiàng)；

YM——可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；

設(shè)定風(fēng)速為15m/s模擬瞬時(shí)最快速度的情況，設(shè)置氣動(dòng)阻力監(jiān)測(cè)曲線和氣動(dòng)升力監(jiān)測(cè)曲線，用以反應(yīng)前后壓差大小以及升力大小[8]。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由車尾速度矢量圖（見圖 2）可知，空氣速度由 15m/s左右通過車身中部過渡到車尾減小至0.9m/s左右，減小過快，可見車前對(duì)空氣阻力較大，即空氣對(duì)車身阻力較大，且車前速度方向似從一點(diǎn)發(fā)出，分析可能存在奇點(diǎn)。由圖3所示的壓力云圖可見，車前最大壓強(qiáng)為 135Pa，車尾最大壓強(qiáng)約為32.6Pa（車尾部受負(fù)壓），車身前后所受壓強(qiáng)較大，車尾空氣由左右兩個(gè)方向匯入，導(dǎo)致車尾速度方向混亂，形成較大渦流，從而使車尾產(chǎn)生較大負(fù)壓。

圖2 車尾速度矢量圖（m/s）

圖3 壓力云圖（Pa）

查看整車受力報(bào)告，在010方向即車輛行駛方向（以下簡(jiǎn)稱010方向），總的壓差阻力為9.1N，總的表面摩擦阻力為9.9N，兩者總和為19.1N。在001方向即車輛與地面垂直的方向（以下簡(jiǎn)稱001方向）所受氣動(dòng)升力為-59.2N（負(fù)號(hào)代表方向，下同）。

為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度，從理論上粗略計(jì)算總的壓差阻力（Pressure）：

汽車在行駛過程當(dāng)中，其所受到的空氣阻力一般計(jì)算公式為：

其中，CD為氣動(dòng)阻力系數(shù)；ρ為空氣的密度，取ρ=1.2258N.s2m-4；A為汽車的迎風(fēng)面積，單位為 m2；ur是相對(duì)速度，在無風(fēng)狀況下即汽車的行駛速度(m／s)。

按照典型汽車的參數(shù)，取 CD=0.3，A=0.225m2（取節(jié)能車實(shí)際迎風(fēng)面在豎直方向上的投影為迎風(fēng)面），ur=15m/s，算得Fw=9.3N，與仿真結(jié)果相近，故仿真結(jié)果可信。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，尾部湍流較大，受到較大的負(fù)壓，以及車架尺寸不可改變這一實(shí)際因素考慮，針對(duì)減小尾部湍流尺寸，使湍流遠(yuǎn)離車身，以及破壞湍流形成，提出兩個(gè)優(yōu)化尾部的方案。

方案一：

在尾部增加擾流板，如圖 4，使分離的氣流重新在擾流板上附著，減少渦流的產(chǎn)生[9]。如圖5優(yōu)化后車尾速度矢量圖，尾部渦流尺寸明顯減小并且遠(yuǎn)離車身。

圖4 尾部增加擾流板

圖5 尾部增加擾流板后車尾速度矢量圖（m/s）

由尾部增加擾流板后整車受力報(bào)告可得，在010方向總的壓差阻力為6.7N，與優(yōu)化前相比降低26 %，在001方向總的氣動(dòng)升力為-44.7與優(yōu)化前相比降低24.5%。雖然目標(biāo)是減小尾部湍流，但是001方向的氣動(dòng)升力也隨之減小，相當(dāng)于車身對(duì)地面的正壓力也減小了，等效為車身自重的減小，在行駛相同距離時(shí)，除了自重減小，其他條件不變的情況下可以更加省油。

方案二：

運(yùn)用仿生學(xué)原理，在尾部增加“鯊魚鰭”如圖 6；汽車尾后方為湍動(dòng)能的主要耗散區(qū)域，因此在該區(qū)域安裝附加裝置，抑制附面層增厚和氣流分離，可降低氣動(dòng)阻力[9]。根據(jù)上文仿真結(jié)果，空氣由車身左右以及下方匯入，又因?yàn)椤磅忯~鰭”作用是抑制附面層增厚和氣流分離，綜上重新設(shè)計(jì)“鯊魚鰭”形狀以及個(gè)數(shù)及擺放位置，個(gè)數(shù)為3個(gè)，均勻擺放在空氣主要流經(jīng)區(qū)如圖7尾部增加鯊魚鰭后，大的渦流被破壞。

圖6 尾部增加鯊魚鰭

由尾部增加“鯊魚鰭”后整車受力報(bào)告可得，在010方向總的壓差阻力為2.2N，與優(yōu)化前相比降低75.7%，在001方向總的氣動(dòng)升力為-22.6N與優(yōu)化前相比降低61.8%。同方案一中，在方案二，001方向氣動(dòng)升力也出現(xiàn)了下降。

圖7 尾部增加鯊魚鰭后速度矢量圖（m/s）

由圖8三種方案受力比較可見，盡管整車整體形狀由于車架尺寸的限制，沒有做出改變，空氣流過車身后依然由15m/s減小到一個(gè)較小值，但是通過在尾部增加擾流板，減小尾部湍流的大小以及增大湍流中心與尾部表面的距離，或在尾部湍流中心增加鯊魚鰭，破壞湍流的形成依然有減阻效果。

圖8 三種方案受力比較

4 結(jié)論

本文通過對(duì)節(jié)能車車殼的設(shè)計(jì)，以及通過有限元的分析計(jì)算及結(jié)果分析，完成了節(jié)能車空氣動(dòng)力學(xué)分析，得到了不同尾部結(jié)構(gòu)下的車身在正常行駛狀態(tài)下的風(fēng)阻和氣動(dòng)升力，以及其速度矢量圖，壓力云圖。通過觀察車身尾部的氣動(dòng)分布，以及所得的壓差阻力，得出車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，即通過改變車尾結(jié)構(gòu)以減小或破壞車身尾部的湍流，可以在一定程度上降低車輛行駛過程受到的空氣阻力，達(dá)到節(jié)能的目的。