魯 亮，張倩文，胡中強(qiáng)，冉 淵

(1.中興智能汽車(chē)有限公司，廣東 珠海519090；2.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

由于傳統(tǒng)化石能源長(zhǎng)期使用所帶來(lái)的環(huán)境壓力，推動(dòng)新能源行業(yè)的發(fā)展和能源的高效利用勢(shì)在必行[1]。世界各國(guó)均非常重視燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，將燃料電池汽車(chē)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度并在技術(shù)研發(fā)與配套設(shè)施建設(shè)上給予了大量資金扶持。作為公共交通工具，客車(chē)由于具有內(nèi)部空間大，對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的尺寸要求較低，易于管理和加注燃料，面向公眾、關(guān)注度高等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，決定了燃料電池客車(chē)被認(rèn)為是最有可能率先產(chǎn)業(yè)化的新能源車(chē)型之一[2]。并且，燃料電池客車(chē)對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通，減少CO2的排放，節(jié)能減排，治理城市環(huán)境污染，打造綠色城市具有重要意義。

計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是利用數(shù)值計(jì)算來(lái)求解流體流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動(dòng)量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)的重要方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究中[3]。由于投資少、效率高，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬已成為汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。因此，筆者采用CFD對(duì)燃料電池客車(chē)的外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)基本方程

汽車(chē)外流場(chǎng)遵循基本的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒3個(gè)守恒定律[4-5]。汽車(chē)屬于低馬赫數(shù)運(yùn)載工具，空氣可以當(dāng)成不可壓縮流體處理。

1.1 連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)

連續(xù)方程可描述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

(1)

式中：ρ為流體的密度；u、v、w分別為流體速度矢量在x、y、z方向上的分量。對(duì)于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)不隨時(shí)間變化，故式(1)可變?yōu)椋?/p>

divν=0

(2)

1.2 運(yùn)動(dòng)方程(動(dòng)量守恒方程)

動(dòng)量方程是任何流體流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的基本規(guī)律。即微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

(3)

(4)

(5)

以上3個(gè)方程分別是x、y、z方向上的3個(gè)分量的動(dòng)量方程，即Navier-Stokes方程；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；p為流體微元體上的壓力；μ為流體的動(dòng)力粘度。當(dāng)流體為不可壓時(shí)，Su、Sv、Sw均為0。

1.3 能量方程

能量方程是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的基本定律。微元體中的能量增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。根據(jù)內(nèi)能i與溫度T之間存在的關(guān)系i=CpT, 其中Cp為比熱容。于是可以得到以溫度T為變量的能量守恒方程：

(6)

該式的展開(kāi)形式為：

(7)

式中：κ為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，即粘性耗散項(xiàng)。

1.4 湍流模型

采用工程應(yīng)用中常用的k-ε湍流模型來(lái)求解微分方程確定湍流粘性[6-8]。湍流粘性μt的表達(dá)式為：

μt=Cuρk2/ε

(8)

湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的偏微分方程表達(dá)式分別為：

(9)

(10)

2 外流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

本文按照設(shè)計(jì)要求，采用1∶1的比例選用整車(chē)特征參數(shù)，建立了某燃料電池客車(chē)的三維模型。此模型主要包括導(dǎo)流罩、空調(diào)罩及氣瓶等復(fù)雜部件[9]，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上對(duì)一些局部細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，如螺栓、螺母、安裝孔和倒角等，數(shù)模基本尺寸為10 200 mm×2 500 mm×3 350 mm(L×W×H)，最終生成的車(chē)身模型如圖1所示。

圖1 客車(chē)車(chē)身模型

2.2 確定計(jì)算域

計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體虛擬風(fēng)洞。客車(chē)位于計(jì)算域的中央對(duì)稱(chēng)面，計(jì)算域?yàn)?1倍車(chē)長(zhǎng)(入口距離客車(chē)前臉為3L，計(jì)算域出口距離客車(chē)尾部為7L)，計(jì)算域的寬度為11倍車(chē)寬(左右各5倍寬)，高度為5倍車(chē)高，客車(chē)的正投影面積為7.82 m2，計(jì)算域示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算域示意圖

3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算設(shè)置

3.1 面網(wǎng)格劃分

利用ANSA進(jìn)行幾何模型的前處理，對(duì)未封閉的部分進(jìn)行處理以保證幾何模型的封閉性。模型處理完后首先生成三角形面網(wǎng)格，并對(duì)導(dǎo)流罩、空調(diào)罩等車(chē)身局部較小部位進(jìn)行局部加密提高計(jì)算精度。另外，在輪胎和地面接觸的位置，拉伸出一個(gè)臺(tái)階，這樣既可以模擬輪胎在重力下產(chǎn)生的變形，又可以改善該位置的網(wǎng)格質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 車(chē)身面網(wǎng)格示意圖

3.2 體網(wǎng)格劃分

面網(wǎng)格質(zhì)量合格后，使用Tetra CFD方法生成四面體體網(wǎng)格。同時(shí)，考慮到在保證計(jì)算準(zhǔn)確的情況下適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量，在客車(chē)車(chē)身表面的敏感區(qū)(壁面附近、尾流區(qū)、外形曲率大的表面處)變化梯度大，故在車(chē)身附近添加了3個(gè)密度盒，密度盒的尺寸逐漸遞增，密度盒面網(wǎng)格的最大長(zhǎng)度依次為80 mm、300 mm和600 mm。體網(wǎng)格及密度盒如圖4所示。

圖4 車(chē)身體網(wǎng)格示意圖

3.3 計(jì)算設(shè)置

為保證計(jì)算的可靠性，采用的邊界條件與真實(shí)條件盡可能的保持一致，計(jì)算域邊界的示意圖如圖5所示。計(jì)算域的入口邊界設(shè)定為速度入口(u=30 m/s)；出口邊界為壓力出口，出口壓力為大氣壓[10]。車(chē)身表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，地面設(shè)置為移動(dòng)地面，其他壁面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界。湍流強(qiáng)度入口和出口分別設(shè)為0.5%和5%，壓力、溫度、空氣密度和空氣粘度均采用溫度為25 ℃時(shí)的參數(shù)。邊界條件的具體設(shè)置如表1所示。

圖5 計(jì)算域邊界示意圖

表1 邊界條件

4 汽車(chē)外流場(chǎng)模擬及結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

按照上述邊界條件及物理模型的設(shè)置，分別對(duì)642萬(wàn)、1 079萬(wàn)、1 862萬(wàn)、3 112萬(wàn)4種網(wǎng)格數(shù)量的方案進(jìn)行了計(jì)算，其風(fēng)阻系數(shù)Cd值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)阻系數(shù)Cd值計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出,4種網(wǎng)格數(shù)量方案計(jì)算結(jié)果相差不大，因此可以排除由于網(wǎng)格數(shù)量問(wèn)題帶來(lái)的誤差，說(shuō)明計(jì)算滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。在一定誤差范圍內(nèi)，4種方案的計(jì)算結(jié)果均可作為最終計(jì)算結(jié)果，最終取值應(yīng)以與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值校對(duì)后為準(zhǔn)。由于缺少風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，從理論而言網(wǎng)格數(shù)量越多其精度越高。出于計(jì)算精度考慮，本次計(jì)算結(jié)果采用網(wǎng)格數(shù)量為3 112萬(wàn)的計(jì)算結(jié)果，即客車(chē)風(fēng)阻系數(shù)Cd值為0.502。

4.2 客車(chē)流場(chǎng)分析

為更好地觀察客車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)分布，揭示客車(chē)氣動(dòng)阻力產(chǎn)生原因，從壓力、速度和湍流動(dòng)能3個(gè)角度對(duì)客車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行分析。

(1)圖6為客車(chē)表面的壓力云圖，從圖6可以看出客車(chē)車(chē)身表面大部分面積的壓力低于前臉區(qū)域，正壓區(qū)主要集中分布在客車(chē)前臉區(qū)域和車(chē)頂后部，而負(fù)壓極為嚴(yán)重的區(qū)域主要是位于客車(chē)的前臉與車(chē)頂、車(chē)身側(cè)面、底部等棱角處過(guò)度的區(qū)域，氣流來(lái)不及轉(zhuǎn)折而出現(xiàn)局部分離，因此壓差阻力是客車(chē)氣動(dòng)阻力的主要來(lái)源。結(jié)合圖7客車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量圖來(lái)看，由于客車(chē)前臉比較平整，流線(xiàn)型較差，來(lái)流撞擊前臉形成氣流阻滯，導(dǎo)致前臉區(qū)域形成壓力較高的正壓區(qū)。前臉區(qū)域的正壓區(qū)，會(huì)使周?chē)鷼饬骷铀傧蛩闹芰鲃?dòng)，同時(shí)氣流流過(guò)導(dǎo)流罩與車(chē)身之間的縫隙再流經(jīng)氣瓶組，氣流加速并分離，形成較高的壓力區(qū)。

圖6 車(chē)身表面壓力云圖

(2)圖7顯示了氣流分別向上、向下流動(dòng)，向上流動(dòng)的氣流在車(chē)的前頂緣處發(fā)生氣流分離，速度梯度變大，隨著氣流向下游流動(dòng)，分離的氣流又重新附著在車(chē)頂面，在車(chē)后頂緣，氣流向下翻卷形成尾渦。向下流動(dòng)的氣流繞過(guò)前下緣沿車(chē)底部向后流動(dòng)，同時(shí)在前下緣發(fā)生氣流分離。由于車(chē)底部和地面之間的間距比較小，因此整個(gè)車(chē)底部的氣流流動(dòng)速度低，此股氣流最后向上翻卷，匯入尾渦中。

圖7 客車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量界面圖

(3)從客車(chē)尾部500 mm處的速度矢量圖8來(lái)看，客車(chē)尾部分布有大大小小的三維拖拽渦，其中兩對(duì)尺度較大、流速相對(duì)較低、流向相反的拖拽渦位于汽車(chē)尾部下方且距離地面較近。這是由于地面效應(yīng)造成了氣流速度低，壓強(qiáng)高，車(chē)身側(cè)面光滑，氣流流速高，壓強(qiáng)低。結(jié)合尾部500 mm處的湍流動(dòng)能圖9來(lái)看，氣流從底部向車(chē)頂流動(dòng)，同時(shí)與側(cè)面來(lái)的高速氣流又疊加，這樣會(huì)在尾流中形成一對(duì)向內(nèi)旋向相反的螺旋流。它延伸到汽車(chē)尾部很遠(yuǎn)的地方，從而大大消耗了能量，是能量耗散的主要位置，造成氣動(dòng)阻力的增加。

從湍流動(dòng)量界面圖10可看出，客車(chē)尾部渦流較強(qiáng)且能量耗散較為劇烈的區(qū)域位于客車(chē)尾部，這也解釋了客車(chē)尾部表面壓力不均勻的原因。

圖8 客車(chē)尾部500 mm處速度矢量界面圖

圖9 客車(chē)尾部500 mm處湍動(dòng)能界面圖

圖10 客車(chē)湍流動(dòng)能界面圖

5 結(jié)論

客車(chē)外流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明：客車(chē)的阻力主要由車(chē)體的正壓和車(chē)尾的負(fù)壓區(qū)貢獻(xiàn)，風(fēng)阻系數(shù)為0.502，滿(mǎn)足主流客車(chē)的阻力系數(shù)(0.4～0.65)要求, 該客車(chē)的造型具有良好的氣動(dòng)性能?？紤]到該客車(chē)主要用于城市公共交通樞紐以及可能的城際間交通運(yùn)輸，故該車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)已經(jīng)能完全滿(mǎn)足實(shí)際工程需求。