趙會芳,李小梅,楊文娟,彭婧

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車空氣動力特性對汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性等都有直接的影響。研究汽車空氣動力學特性、優(yōu)化汽車造型、減小汽車行駛空氣阻力是提高汽車動力性、燃油經(jīng)濟性和操作穩(wěn)定性的重要途徑。目前汽車空氣動力學特性的研究手段有風洞試驗、道路試驗和數(shù)值模擬研究。汽車風洞模擬試驗室需要數(shù)十億美元的設(shè)備投資，每小時風洞試驗費用近3萬元人民幣，相當昂貴。道路試驗需在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后才能進行。CFD數(shù)值模擬以經(jīng)典力學理論為基礎(chǔ)，借助大型計算機工作站完成大量的數(shù)學計算求解，大大提高了計算的周期性和準確性。CFD數(shù)值模擬可以充分展示流場的流動結(jié)構(gòu)，有助于分析出相應試驗測試結(jié)果的原因，從而能夠更高效地發(fā)現(xiàn)好的改進方向和方案，為汽車前期造型提供重要依據(jù)，減少后期的設(shè)計變更，從而減少了風洞試驗而花費的巨大財力、人力和物力。

利用Fluent軟件對某公司開發(fā)的一款商用MPV進行了CFD數(shù)值仿真。并以仿真結(jié)果為依據(jù)進行造型優(yōu)化，最后通過對優(yōu)化后整車造型進行數(shù)值模擬，從而驗證方案的可行性。

1 理論基礎(chǔ)

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相交物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。CFD可以看作是在流動基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬，它的基本思想是：把原來在時間或空間域中連續(xù)的物理量的場，用一系列離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間的關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解方程組以得到場變量的近似值。

由于RNGκ-ε模型在標準的κ-ε模型基礎(chǔ)上改進了湍流黏度和耗散率的計算，可以更真實地反映高應變率及流線彎曲程度較大的流動[1]，因此，文中采用RNGκ-ε模型進行數(shù)值模擬。由于該模型對充分發(fā)展的流場有效，故對近壁區(qū)內(nèi)的流動及雷諾數(shù)較低的流動要采用壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)的κ-ε模型來處理[2]。

1.1 湍流瞬時控制方程

對于空氣來說，當風速小于1/3聲速時，也就是風速小于408 km/h，可以認為是不可壓縮氣體。而對汽車來說，最高速度一般都小于400 km/h，因此汽車空氣動力學研究可以把周圍的氣體考慮成不可壓縮的[3]。其質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：u、υ、ω為速度矢量U在X、Y、Z方向上的分量。

對于不可壓縮流體，密度ρ是常數(shù)。動量守恒方程表示如下：

(2)

式中：p為流體微遠體上的壓力。

1.2 雷諾時均控制方程

(3)

用平均值與脈動值之和代替流動變量，即：

(4)

將式(4)代入方程(1)和(2)，并按式(3)對時間取平均值,然后引入張量的指標符號，得出時均連續(xù)方程和雷諾時均方程(后文中均用RANS代替雷諾時均方程)分別如下：

(5)

(6)

由于增加了參數(shù)，式(5)、(6)組成的方程組并不封閉，需引入雷諾應力的輸運方程。

(7)

式中：Pij為剪應力產(chǎn)生項；μt為湍動黏度；σk=0.82。

補充κ和ε方程如下：

(8)

(9)

式(5)—(9)構(gòu)成了封閉的雷諾應力方程的控制方程組。

1.3 控制方程的空間離散

汽車外流場的數(shù)值模擬常采用有限體積法進行空間離散。有限體積法的基本思路是：將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格周圍有一個互不重復的控制體積；將待解微分方程(控制方程)對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。

不同的插值方式對應不同的離散方程，常將插值方式稱為離散格式?？臻g離散格式有低階和高階之分。低階差分格式常會引起假擴散，因此需應用高階離散格式或自適應網(wǎng)絡(luò)技術(shù)減輕假擴散情況。標準的QUICK(對流運動的二次迎風插值)格式由于系數(shù)不總是正值，因此求解不穩(wěn)定。也就是說標準的QUICK格式是條件穩(wěn)定的。

為了解決QUICK的穩(wěn)定性問題，1992年T HAYASE等[4]提出了改進QUICK算法規(guī)定，該算法解決了應用于四面體網(wǎng)格上的求解不穩(wěn)定問題，因而，文中采用改進的QUICK格式對控制方程進行空間離散。

改進的QUICK格式：

(10)

相應離散方程為：

(11)

其中，

(12)

在FLUENT軟件中，為了編程方便，給出了廣義QUICK格式的表示方式[5-6]：

(13)

式中：φ表示界面處物理量的值；Sw、Se、Sd分別表示與計算節(jié)點W、P、E相對應的控制體積的邊長，如圖1所示。

圖1 一維問題中的控制

采用壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)對湍流流動壁面區(qū)進行處理，設(shè)置初始條件和邊界條件，求解離散方程，可得到流場的速度分布圖和壓力分布圖[7]。CFD的求解流程如圖2所示。

圖2 CFD求解流程圖

2 汽車外流場CFD仿真

2.1 CFD仿真模型建立與網(wǎng)格劃分[8-9]

以某產(chǎn)品三維CAD數(shù)字模型為研究對象,采用FLUENT軟件進行CFD數(shù)值模擬計算。仿真模型為實車狀態(tài)模型。

計算域是一個10倍車長(前3倍后6倍)、4倍車高、9倍車寬的長方體。整個計算域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在前臉、A柱、后視鏡、D柱處進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格由大到小逐漸過渡到風洞壁面。整個模型網(wǎng)格單元2 200萬個。計算域模型及計算域網(wǎng)格如圖3、圖4所示。

圖3 計算域模型圖

圖4 計算域網(wǎng)格圖

2.2 物理環(huán)境與邊界條件的設(shè)置

設(shè)置環(huán)境壓力為一個標準大氣壓。根據(jù)真實的風洞測量數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化風洞。風向沿X軸正向，距離汽車前部3倍車長處的端面為入口邊界，距離尾部6倍車長處的端面為出口邊界。邊界參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 邊界參數(shù)設(shè)置

2.3 仿真結(jié)果與分析

按照以上建立的仿真模型輸入邊界條件，在FLUENT中運行得出計算結(jié)果。通過對基準模型Baseline的仿真分析，得到整車外流場情況。根據(jù)仿真結(jié)果，經(jīng)分析提出如下優(yōu)化方案：

(1)合理設(shè)計和優(yōu)化前格柵，在滿足進風量的同時，封堵部分格柵，具體如圖5所示。

圖5 前格柵

(2)優(yōu)化輪罩造型，在滿足整車設(shè)計參數(shù)的前提下，設(shè)計前輪阻風板的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 前輪阻風板

(3)合理設(shè)計優(yōu)化前蒙皮導流板和下蓋板結(jié)構(gòu)形式及連接方式，如圖7所示。

圖7 前蒙皮導流板與下蓋板連接方式

3 優(yōu)化方案分析

3.1 前格柵優(yōu)化

經(jīng)分析，正壓區(qū)主要存在于前臉處，車輛正前部壓力較后部要大，前后的壓差造成了汽車的壓差阻力。這部分阻力占汽車總阻力的主要部分。若要降低汽車的氣動阻力，就要設(shè)法使汽車前部壓力降低或后部壓力升高，從而降低壓差阻力[7]。此次優(yōu)化通過優(yōu)化前格柵造型和封堵部分格柵實現(xiàn)減小前臉處正壓區(qū)的目的。圖8為前格柵優(yōu)化前后的壓力云圖。由圖可見，封堵部分格柵后，前大燈、霧燈以及前蒙皮導流板處的正壓區(qū)明顯減小，背壓區(qū)明顯減小，有效地減小了前后壓差，整車風阻系數(shù)降低6.17%。

圖8 前格柵優(yōu)化結(jié)果

3.2 輪罩優(yōu)化

原造型輪罩處無阻風板，導致流過側(cè)圍的氣流直接沖擊輪胎，輪胎上的正壓區(qū)增大，風阻增加。在滿足接近角[10]的前提下，將輪罩沿-Z方向延伸形成阻風板，可有效地減少直接沖擊輪胎的氣流量，有利于減小風阻。圖9表示優(yōu)化前后輪胎的壓力分布圖，增加前輪阻風板后，前輪正壓區(qū)明顯減小，整車風阻降低1.54%。

圖9 前格柵優(yōu)化結(jié)果

3.3 前蒙皮導流板和下蓋板優(yōu)化

合理設(shè)計前蒙皮導流板和下蓋板可以有效引導氣流順暢的通過，從而降低風阻。如圖10所示，優(yōu)化后車輛底部氣流通過較優(yōu)化前順暢，渦量減小，整車風阻降低0.5%。

圖10 速度流線圖

幾個方案優(yōu)化后的風阻系數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 造型優(yōu)化后風阻計算結(jié)果

4 結(jié)論

文中應用CFD數(shù)值模擬對汽車前格柵、輪罩、前蒙皮導流板和下蓋板進行造型優(yōu)化，使得風阻系數(shù)降低8.23%，達到設(shè)計之初指定的設(shè)計目標。

通過對相似車型風洞試驗與應用相同仿真方法仿真計算結(jié)果的對比，得出仿真結(jié)果與風洞試驗結(jié)果相符。因此，文中的仿真結(jié)果可作為新產(chǎn)品的風阻結(jié)果。