孫灝

摘 要：本文研究了流線型外觀汽車(chē)和箱型外觀汽車(chē)在正常行駛狀態(tài)下的空氣動(dòng)力學(xué)特性差異，主要通過(guò)仿真分析的手段探討汽車(chē)不同外觀對(duì)表面壓力、表面空氣渦旋以及表面剪切力的影響。研究表明，汽車(chē)在正常行駛狀態(tài)下（60km/h），流線型外觀汽車(chē)較箱型汽車(chē)而言，具有低空氣阻力、高穩(wěn)定性以及高附著力等優(yōu)點(diǎn)。所以，同樣的驅(qū)動(dòng)力作用下，流線型外觀相對(duì)于箱型外觀減少了發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗，從而降低了油耗，提高了最大速度和加速度。

關(guān)鍵詞：汽車(chē);流線型外觀;空氣動(dòng)力學(xué);仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0041-04

Numerical Simulation of the Influence of Automobile Streamlined Shape

SUN Hao

（University of Warwick， School of Engineering，Coventry UK CV4 7AL）

Abstract： This paper studied the difference in aerodynamic characteristics between a streamlined exterior car and a box-type exterior car under normal driving conditions， and explored the effects of different exterior appearances on surface pressure， surface air vortex， and surface shear forces by means of simulation analysis. Studies have shown that in normal driving conditions （60km/h）， the streamlined appearance of the car has the advantages of low air resistance， high stability and high adhesion compared to box cars. Therefore， under the same driving force， the streamlined appearance reduces the engine power loss relative to the box type appearance， thereby reducing fuel consumption and increasing the maximum speed and acceleration.

Keywords： automobile;streamlined shape;aerodynamics;simulation analysis

20世紀(jì)20年代初，許多工程師就開(kāi)始將空氣動(dòng)力學(xué)研究成果應(yīng)用于汽車(chē)外形設(shè)計(jì)中。第一輛流線型汽車(chē)于1922年由羅馬尼亞工程師Aurel Persu制造。現(xiàn)在，流線型外觀已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)制造領(lǐng)域[1]。

本文分析了流線型外觀在汽車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)速度、阻力及渦流等屬性的影響。相對(duì)于車(chē)輛研發(fā)機(jī)構(gòu)所采用的風(fēng)洞試驗(yàn)，本文采用的研究方法為虛擬仿真，使用的軟件為Star CCM+。與實(shí)際試驗(yàn)相比較，使用軟件Star CCM+的仿真模擬可以節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)，因?yàn)樵趯?shí)際情況下，研究人員會(huì)建立專(zhuān)門(mén)的風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)，而且試驗(yàn)的運(yùn)行還需要足夠的電力。另外，仿真分析可以節(jié)省時(shí)間。

1 方法論

仿真所依托的空氣動(dòng)力學(xué)理論為雷諾平均納維-斯托克斯法（RANS）[2]。相對(duì)于忽略小型氣旋的大漩渦模擬法（LES）以及精確計(jì)算到每個(gè)細(xì)節(jié)的直接數(shù)值模擬法（DNS），RANS最為合適，因?yàn)樵摲椒缺ＷC了結(jié)果的準(zhǔn)確性，又保證了仿真程序運(yùn)行的效率。

連續(xù)性方程為：

[?u?x+?v?y+?w?z=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

斯托克斯方程為：

[?ui?t+??xj（uiuj）=-?p?xi-??xjτij+1Re?2ui?xi?xj]? ? ? ? ?（2）

使用RANS Method時(shí)，雷諾應(yīng)力張量[τij]是未知的，需要使用[k]-[ε]模型來(lái)求解。[k]通過(guò)湍流動(dòng)能方程求解，[ε]通過(guò)耗散率方程求解。

湍流動(dòng)能方程為：

[?k?t+Uj?k?xj=Pk+vtσk?k?xj-ε]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

耗散率方程為：

[?ε?t+Uj?ε?xj=Cε1Pkεk-Cε2ε2k+??xj（vtσε?ε?xj）]? ? ? ?（4）

式中，[Pk=-uiuj?Ui?xj];[Cε1=1.44];[Cε2=1.92];

[σk=1.0];[σε=1.3]。

運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)和應(yīng)變率張量，可用求出的[k]與[ε]來(lái)表示。運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)[vt]為：

[vt=Cμk2ε]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中，[Cμ=0.09]。

應(yīng)變率張量[Si，j]為：

[Si，j=12（?Ui?xj+?Uj?xi）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

至此，可以求出斯托克斯方程中的雷諾應(yīng)力張量[τij]。雷諾應(yīng)力張量[τij]為：

[τij=-2vtSi，j]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

以上討論過(guò)程的復(fù)雜性很高，其無(wú)法通過(guò)人力反復(fù)迭代計(jì)算。但通過(guò)流體仿真軟件Star CCM+，人們可以在一定時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果。

2 構(gòu)建仿真

2.1 構(gòu)建模型

使用Solidworks分別構(gòu)建兩個(gè)同樣體積的汽車(chē)模型，如圖1、圖2所示。

2.2 構(gòu)建計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域設(shè)置為：車(chē)前方邊界距車(chē)5m，車(chē)上方邊界距車(chē)5m，車(chē)右側(cè)邊界距車(chē)5m，車(chē)后方邊界距車(chē)20m。實(shí)際使用的模型如圖3所示。

由于車(chē)是沿中心線左右對(duì)稱(chēng)的，所以只導(dǎo)入模型的一半進(jìn)行仿真分析，即可得出結(jié)論。這樣能節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)間，節(jié)約資源。

2.3 計(jì)算單元的設(shè)置

由于不同的單元格設(shè)置會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果的不同，所以在仿真正式開(kāi)始前，人們需要對(duì)不同尺寸、種類(lèi)的單元格進(jìn)行測(cè)試，使用最適合的單元格進(jìn)行仿真分析，如圖4至圖7所示。

肉眼可見(jiàn)，圖5中空氣在車(chē)后形成的氣旋最細(xì)致，故采用“最大邊長(zhǎng)為1.0m的單元格”運(yùn)行仿真分析。在此條件下，仿真運(yùn)行完成的時(shí)間為20h左右，從時(shí)間上來(lái)看也可以接受。

2.4 優(yōu)化計(jì)算單元

本次仿真主要關(guān)注不同汽車(chē)外形所造成的影響，所以模型邊界附近的單元格較其他單元格來(lái)說(shuō)更為重要。在設(shè)置程序時(shí)，本次仿真人為地將模型邊界處的單元格設(shè)置為10層，并且離模型越遠(yuǎn)，單元格的尺寸越大。優(yōu)化后的單元格如圖8所示。

2.5 設(shè)置其他條件

物理?xiàng)l件設(shè)置如表1所示，輸入數(shù)值條件設(shè)置如表2所示。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 表面壓力

從Star CCM+對(duì)于汽車(chē)表面壓力的分析圖來(lái)看，吉普車(chē)的最大承受壓力為2 559.5Pa，賽車(chē)的最大承受壓力為2 329.9Pa，吉普車(chē)承受的最大表面壓力更大。由圖9、圖10比較可見(jiàn)，吉普車(chē)表面代表高壓力的右側(cè)區(qū)域面積明顯比賽車(chē)的大。

3.2 空氣渦旋和剪切力

研究發(fā)現(xiàn)，吉普車(chē)周?chē)性S多空氣渦旋，但在賽車(chē)周?chē)@種情況并不明顯。而空氣渦旋會(huì)導(dǎo)致正常速度（60km/h）行駛的汽車(chē)穩(wěn)定性及附著力降低。另外，吉普車(chē)與賽車(chē)的車(chē)體剪切力差距并不明顯。

3.3 殘差分析

由于仿真軟件Star CCM+需要多次迭代從而計(jì)算出每一刻的各項(xiàng)參數(shù)（溫度、速度、壓力等），所以仿真結(jié)束后需要回顧運(yùn)算過(guò)程中的殘差圖（見(jiàn)圖15），確保殘差最終歸于平穩(wěn)，而且低于操作者預(yù)先設(shè)置的值（本次仿真計(jì)算設(shè)置為10-4）。

由圖11可見(jiàn)，通過(guò)多次迭代計(jì)算，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均歸于平穩(wěn)狀態(tài)，且均低于10-4，故本次仿真運(yùn)行結(jié)果正確。

4 結(jié)論

當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，表面壓力、空氣渦旋和剪切力是產(chǎn)生阻力的三個(gè)因素。一是從仿真分析結(jié)果來(lái)看，正常運(yùn)行時(shí)（60km/h），賽車(chē)的前部表面壓力大于吉普車(chē);二是吉普車(chē)周?chē)休^多的空氣渦旋。車(chē)輛速度越高，產(chǎn)生的空氣渦旋對(duì)汽車(chē)的穩(wěn)定性影響就越大。在車(chē)輛正常運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)速足夠大，因此這一因素的影響是非常明顯的;三是正常運(yùn)行時(shí)，賽車(chē)與吉普車(chē)的剪切力差距不大，而這一因素又只在低速時(shí)有明顯影響。所以，流線型外觀的賽車(chē)運(yùn)行時(shí)受到空氣干涉（阻力、渦旋等）的影響更小。在同樣的驅(qū)動(dòng)力作用下，較吉普車(chē)而言，賽車(chē)的流線型外觀減少了發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗，從而降低了油耗，提高了最大速度和加速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]Aurel P.Streamline power vehicle，USA：Patent 1648505[P].1927-11-08.

[2]Ferziger J H，Peric M.Computational methods for fluid dynamics[M].Berlin：Springer Science & Business Media，2012.